抽象函数周期性的探究

1抽象函数周期性的探究厦门六中黄东梅抽象函数是指没有给出具体的函数解析式,只给出它的一些特征、性质或一些特殊关系式的函数，所以做抽象函数的题目需要有严谨的逻辑思维能力、丰富的想象力以及函数知识灵活运用的能力.而在教学中我发现同学们对于抽象函数周期性的判定和运用比较困难,所以特探究一下抽象函数的周期性问题.利用周期函数的周期求解函数问题是基本的方法.此类问题的解决应注意到周期函数定义、紧扣函数图象特征，寻找函数的周期，从而解决问题.以下给出几个命题：命题1：若a是非零常数，对于函数y=f(x)定义域的一切x，满足下列条件之一，则函数y=f(x)是周期函数.（1）函数y=f(x)满足f(x+a)=－f(x)，则f(x)是周期函数，且2a是它的一个周期.（2）函数y=f(x)满足f(x+a)=1()fx，则f(x)是周期函数，且2a是它的一个周期.（3）函数y=f(x)满足f(x+a)+f(x)=1，则f(x)是周期函数，且2a是它的一个周期.命题2：若a、b(ab)是非零常数，对于函数y=f(x)定义域的一切x，满足下列条件之一，则函数y=f(x)是周期函数.(1)函数y=f(x)满足f(x+a)=f(x+b)，则f(x)是周期函数，且|a-b|是它的一个周期.(2)函数图象关于两条直线x=a，x=b对称，则函数y=f(x)是周期函数，且2|a-b|是它的一个周期.(3)函数图象关于点M(a,0)和点N(b,0)对称，则函数y=f(x)是周期函数，且2|a-b|是它的一个周期.(4)函数图象关于直线x=a，及点M(b,0)对称，则函数y=f(x)是周期函数，且4|a-b|是它的一个周期.命题3：若a是非零常数，对于函数y=f(x)定义域的一切x，满足下列条件之一，则函数y=f(x)是周期函数.（1）若f(x)是定义在R上的偶函数，其图象关于直线x=a对称，则f(x)是周期函数，且2a是它的一个周期.（2）若f(x)是定义在R上的奇函数，其图象关于直线x=a对称，则f(x)是周期函数，且4a是它的一个周期.我们也可以把命题3看成命题2的特例,命题3中函数奇偶性、对称性与周期性中已知其中的任两个条件可推出剩余一个.下面证明命题3（1），其他命题的证明基本类似.设条件A:定义在R上的函数f(x)是一个偶函数.条件B:f(x)关于x=a对称条件C:f(x)是周期函数,且2a是其一个周期.结论:已知其中的任两个条件可推出剩余一个.证明:①已知A、B→C（2001年全国高考第22题第二问）2∵f(x)是R上的偶函数∴f(-x)=f(x)又∵f(x)关于x=a对称∴f(-x)=f(x+2a)∴f(x)=f(x+2a)∴f(x)是周期函数,且2a是它的一个周期②已知A、C→B∵定义在R上的函数f(x)是一个偶函数∴f(-x)=f(x)又∵2a是f(x)一个周期∴f(x)=f(x+2a)∴f(-x)=f(x+2a)∴f(x)关于x=a对称③已知C、B→A∵f(x)关于x=a对称∴f(-x)=f(x+2a)又∵2a是f(x)一个周期∴f(x)=f(x+2a)∴f(-x)=f(x)∴f(x)是R上的偶函数由命题3(2)，我们还可以得到结论:f(x)是周期为T的奇函数，则f(2T)=0基于上述命题阐述，可以发现，抽象函数具有某些关系.根据上述命题，我们易得函数周期，从而解决问题，以下探究上述命题在解决抽象函数问题中的运用.1.求函数值例1：f(x)是R上的奇函数f(x)=－f(x+4)，x∈[0，2]时f(x)=x，求f(2007)的值解：方法一∵f(x)=－f(x+4)∴f(x+8)=－f(x+4)=f(x)∴8是f(x)的一个周期∴f(2007)=f(251×8-1)=f(-1)=－f(1)=－1方法二∵f(x)=－f(x+4)，f(x)是奇函数∴f(-x)=f(x+4)∴f(x)关于x=2对称又∵f(x)是奇函数∴8是f(x)的一个周期，以下与方法一相同.例2：已知f(x)是定义在R上的函数，且满足f(x+2)[1－f(x)]=1+f(x)，f(1)=2，求f(2009)的值解：由条件知f(x)1，故1()(2)1()fxfxfx1(2)1(4)1(2)()fxfxfxfx类比命题1可知，函数f(x)的周期为8，故f(2009)=f(251×8+1)=f(1)=22.求函数解析式例3：已知f(x)是定义在R上的偶函数，f(x)=f(4-x)，且当2,0x时，f(x)=－2x+1，则当4,6x时求f(x)的解析式解：当0,2x时[2,0]x∴f(－x)=2x+13∵f(x)是偶函数∴f(－x)=f(x)∴f(x)=2x+1当4,6x时4[0,2]x∴f(－4+x)=2(－4+x)+1=2x－7又函数f(x)是定义在R上的偶函数，f(x)=f(4-x)，类比命题3（1）知函数f(x)的周期为4故f(-4+x)=f(x)∴当4,6x时求f(x)=2x－73.判断函数的奇偶性例4：已知f(x)是定义在R上的函数，且满足f(x+999)=1()fx，f(999+x)=f(999－x)，试判断函数f(x)的奇偶性.解：由f(x+999)=1()fx，类比命题1可知，函数f(x)的周期为1998即f(x+1998)=f(x)；由f(999+x)=f(999－x)知f(x)关于x=999对称，即f(－x)=f(1998+x)故f(x)=f(－x)f(x)是偶函数4.判断函数的单调性例5：已知f(x)是定义在R上的偶函数，f(x)=f(4-x)，且当2,0x时，f(x)是减函数，求证当4,6x时f(x)为增函数解：设1246xx则212440xx∵f(x)在[-2，0]上是减函数∴21(4)(4)fxfx又函数f(x)是定义在R上的偶函数，f(x)=f(4-x)，类比命题3（1）知函数f(x)的周期为4故f(x+4)=f(x)∴21()()fxfx∵f(-x)=f(x)∴21()()fxfx故当4,6x时f(x)为增函数例6：f(x)满足f(x)=-f(6-x)，f(x)=f(2-x)，若f(a)=-f(2000)，a∈[5，9]且f(x)在[5，9]上单调.求a的值.解：∵f(x)=-f(6-x)∴f(x)关于（3，0）对称∵f(x)=f(2-x)∴f(x)关于x=1对称∴根据命题2（4）得8是f(x)的一个周期∴f(2000)=f(0)又∵f(a)=-f(2000)∴f(a)=-f(0)4又∵f(x)=-f(6-x)∴f(0)=-f(6)∴f(a)=f(6)∵a∈[5，9]且f(x)在[5，9]上单调∴a=65.确定方程根的个数例7：已知f(x)是定义在R上的函数，f(x)=f(4－x)，f(7+x)=f(7－x),f(0)=0，求在区间[－1000，1000]上f(x)=0至少有几个根？解：依题意f(x)关于x=2，x=7对称，类比命题2（2）可知f(x)的一个周期是10故f(x+10)=f(x)∴f(10)=f(0)=0又f(4)=f(0)=0即在区间(0，10]上，方程f(x)=0至少两个根又f(x)是周期为10的函数，每个周期上至少有两个根，因此方程f(x)=0在区间[－1000，1000]上至少有1+2200010=401个根.两类易混淆的函数问题：对称性与周期性刘云汉例1.已知函数y=f（x）（x∈R）满足f（5+x）=f（5－x），问：y=f（x）是周期函数吗？它的图像是不是轴对称图形？例2.已知函数y=f（x）（x∈R）满足f（5+x）=f（5－x），问：y=f（x）是周期函数吗？它的图像是不是轴对称图形？这两个问题的已知条件形似而质异。有的同学往往把它们混为一谈，从而得出错误的结论。为了准确地回答上述问题，必须掌握以下基本定理。定理1：如果函数y=f（x）（x∈R）满足f（5+x）=f（5－x），那么y=f（x）的图像关于直线xa对称。证明：设点Pxy00，是y=f（x）的图像上任一点，点P关于直线x=a的对称点为Q，易知，点Q的坐标为200axy，。因为点Pxy00，在y=f（x）的图像上，所以fxy()00于是faxfaaxfaaxfxy200000所以点Qaxy200，也在y=f（x）的图像上。5由P点的任意性知，y=f（x）的图像关于直线x=a对称。定理2：如果函数y=f（x）（x∈R）满足f（a+x）=f（b－x），那么y=f（x）的图像关于直线xab2的对称。证明：（略）（证明同定理1）定理3：如果函数y=f（x）（x∈R）满足f（x+a）=f（x－a），那么y=f（x）是以2a为周期的周期函数。证明：令xax'，则xxaxaxa''，2代入已知条件fxafxa得：fxafx''2根据周期函数的定义知，y=f（x）是以2a为周期的周期函数。定理4：如果函数y=f（x）（x∈R）满足fxafxb，那么y=f（x）是以ab为周期的周期函数。证明：（略）（证法同定理3）由以上的定理可知，在已知条件faxfbx或fxafxb中，等式两端的两自变量部分相加得常数，如axbxab，说明fx()的图像具有对称性，其对称轴为xab2。等式两端的两自变量部分相减得常数，如xaxbab，说明f（x）是周期函数，其周期T=a+b。容易证明：定理1、2、3、4的逆命题也是成立的。6牢牢掌握以上规律，则例1、例2迎刃而解。例1中，5510xx，因此f（x）的图像关于直线x=5对称。由这个已知条件我们不能判定f（x）是周期函数。例2中，xx5510，因此f（x）是周期函数，其周期T=10。由这个已知条件我们不能判定它是轴对称图形。例3.若函数f（x）=x2+bx+c对于任意实数t均有f（3+t）=f（1－t），那么（）A.f（2）f（1）f（4）B.f（1）f（2）f（4）C.f（2）f（4）f（1）D.f（4）f（2）f（1）解析：在f（3+t）=f（1－t）中（3+t）+f（1－t）=4所以抛物线f（x）=x2+bx+c的对称轴为x=2作示意图如图1，可见，应选A。图1例4.设f（x）是定义在R上的奇函数，且f（x－2）=－f（x），给出下列四个结论：①f（2）=0；②f（x）是以4为周期的函数；③f（x）的图像关于直线x=2对称；④f（x+2）=f（－x）7其中所有正确命题的序号是___________。解析1：（1）因为y=f（x）（x∈R）是奇函数，所以f（－x）=－f（x）令x=0，得f（－0）=－f（0）fff()()()000200，所以f（0）=0又已知f（x－2）=－f（x）令x=2，得f（0）=－f（2）所以f（2）=－f（0）=0故①成立。（2）因为f（x－2）=－f（x），所以fxfxfxfx()2224由x－（x－4）=4（两自变量相减得常数）所以f（x）是以4为周期的周期函数。故②成立。（3）由f（x+2）=f（－x）得：（x+2）+（－x）=2（两自变量相加得常数）所以f（x）的图像关于直线x=1对称。而不是关于直线x=2对称。故③是错误的。（4）由（2）知，f（x）应满足f（x+2）=f（x－2）而f（x－2）=－f（x）所以f（x+2）=－f（x）=f（－x）故④成立。综上所述，应填①②④。解析2：根据题设条件，构造出函数fx()的图像如图2。8图2由图可见，①②④正确，而③不正确。例5.函数yaxalog210的图像关于直线x=2对称，则a=___________。解析：因为函数yaxalog210的图像关于直线x=2对称所以有loglog222121a