教材中写到:“对于函数f(x),如果存在一个非零的常数T,使得当x取定义域内的每一个值时,都有f(x+T)=f(x),那么函数f(x)就叫做周期函数,非零的常数T叫做这个函数的周期。”教材中又说:“如果在周期函数f(x)所有的周期中存在一个最小的正数,那么这个最小正数就叫做f(x)的最小正周期。”
这是个内涵定义法,要正确理解周期函数的定义,应从定义的内涵(性质)和外延(对象)两个方面来分析,应注意以下几点:
1.式子f(x+T)=f(x)对定义域中的每一个值都成立。即定义域内任意一个x,式子都成立。而不能是“一个x”或“某些x”。
例如:由于sin(+)=sin,即sin(x+)=sinx.该式中x取时等式成立,能否断定 是sinx的周期呢?不能,因对于其他一些x值该式不一定成立。如x=
时,sin(x+)≠sinx。
另一方面,判断一个函数不是周期函数,只需举一个反例就行了。
【例】函数y=sinx,x∈[0,100π]是周期为2π的周期函数吗?为什么?
解:不是周期函数,因为对于定义域中的x=99π时,(x+2π)∈[0,100π],f(x+2π)
=f(x)不能成立,故函数y=sinx,x∈[0,
100π]不是周期为2π的周期函数。
2.周期函数的定义域不一定是全体实数,也不一定对称于原点。
例如:函数f(x)=√tanx是以π为周期的周期函数,它的定义域是{x|kx≤x<kπ+ ,k∈Z},既不是全体实数,也不关于原点对称。但是周期函数的定义域必须是向-∞和+∞两个方向无限延伸的。
3.式子f(x+T)=f(T)是对“x”而言。例如,由cos(+2kπ)=cos(k∈Z),是否可以说cos 的周期为2kπ呢?不能!因为cos(x+2kπ)=cos(x+4kπ),即cos ( x+4kπ)=cos x(k∈Z),所以,cos 的周期是4kπ,而不是2kπ(k∈Z)。
4.不是每个周期函数都存在最小正周期。例如:常数函数f(x)=C(常数),显然任何一个正数T都是f(x)的周期,由于正数中不存在最小的数,所以周期函数f(x)=C无最小正周期;又如:狄利克雷函数
,任何等于零的有理数都是它的周期,也不存在最小正周期。
5.周期函数的周期不唯一,也不一定是π的倍数。如果T是f(x)(x∈R)的周期,那么kT(k∈Z,且k≠0)也一定是f(x)的周期。定义规定了T为一个实常数,而不是一个变数;同时也规定了T的取值范围,只要求不为零,千万不要误认为T一定是 的倍数。众所周知,函数
的周期即最小正周期是 ,函数y=Acos(ωx+ )的最小正周期也是 ,函数y=Atan(ωx+)的最小正周期是,不难看到,上述各函数的周期中都含有“π”,而且,同学们所见到的课本例题及习题中的周期函数的周期中也都含有“π”,于是,有的同学认为:周期函数的周期一定含“π”。
事实上,这种看法是错误的,实际上,有许多周期函数的周期中是不含“π”的,如下面几例:
例1:函数y=cosπx的最小正周期是T==2。
例2:若对于函数y=f(x)定义域内的任何x的值,都有f(x+1)=f(x)成立,则由周期函数的定义可知,函数y=f(x)是周期函数,且T=1是其周期。
6.周期函数必须是函数,但周期性并不是三角函数所独有的。
实质上我们学过的非周期函数f(x)(如y=log2x,y=|x|,y=2x,y=x2等等)将其定义域内限制在一个半开半闭区间上,经左右平移,可以延拓变为周期函数,例如将非周期函数y=x2(x∈R)在其定义域R内限制在(-1,1),然后将y=x2(-1<x≤1))的***象左、右平移,可以延拓为最小正周期为2的周期函数f(x)=(x-2k)2(2k-1<x≤2k+1),k∈Z,如***:
例如:已知f(x)=|x|,x∈(-1,1],求定义在R上的一个周期为2的函数g(x),使x∈(-1,1]时,g(x)=f(x)。
解:由g(x)的周期性可画出g(x)的***象。如***:
对于任意的x∈R,x一定在周期为2的区间(2n-1,2n+1]内,则x-2n∈(-1,1]。
g(x)=g(x-2n)=f(x-2n)=|x-2n|,即
x-2n,2n<x≤2n +1
-x+2n,2n-1<x≤2n
同学们请注意,周期函数是高考中的一个热点,我们必须深层次的理解周期函数的意义,才能臻化入境,运用自如。