周期函数与周期数列
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第14讲周期函数与周期数列
本节主要内容有周期;周期数列、周期函数.
周期性是自然规律的重要体现之一,例如地球公转的最小正周期就体现为年的单位.在数学中,我们就经常遇见各种三角函数,这类特殊的周期函数,特别是正弦、余弦函数与音乐有着密切的联系:19世纪法国数学家傅立叶证明了所有的乐声──不管是器乐还是声乐都能用数学表达式来描述,它们一定是一些简单的正弦周期函数的和.
作为认识自然规律的主要手段,数学在本学科中严格地引进了“周期”这个重要概念.在中学数学中,我们仅仅讨论定义域是整个实数轴的实值映射的周期性,尽管形式十分简单,但与之相关的问题仍有待研究.中学数学里称函数的周期,没有特殊说明是指其最小正周期.
如果函数y=f(x)对于定义域内任意的x,存在一个不等于0的常数T,使得f(x+
T)=f(x)
恒成立,则称函数f(x)是周期函数,T是它的一个周期.
一般情况下,如果T是函数f(x)的周期,则kT(k∈N+)也是f(x)的周期.
1.若f(x+T)=-f(x),则2T是f(x)的周期,即f(x+2T)=f(x)
证明:f(x+2T)=f(x+T+T)=-f(x+T)=f(x),
由周期函数的性质可得f(x+2nT)=f(x),(n∈Z)
2.若f(x+T)=±,则2T是f(x)的周期,即f(x+2T)=f(x).
仅以f(x+T)=证明如下:
f(x+2T)=f(x+T+T)==f(x).由周期函数的性质可得f(x+2nT)=f(x),(n∈Z) 3.在数列an中,如果存在非零常数T,使得amTam对于任意的非零自然数m均成立,那么就称数列an为周期数列,其中T叫数列an的周期. A类例题 例1(2001年上海春季卷)若数列{an}前的值各异,且an8an对任意的nN都成立,则下列数列中可取遍{an}前值的数列为()
A.{a2k1} B.{a3k1}
C.{a4k1} D.{a6k1}
解析由数列{an}前的值各异,an8an对任意n∈N+都成立,
得数列{an}的周期T=8,则问题转化为2k+1,3k+1,4k+1,6k+1中k=1,2,3,…代入
被8除若余数能取到0,1,2,3,4,5,6,7即为答案.
经检验3k+1可以,故{a3k1}可取遍{an}的前值.答案为B.
说明本题还可以奇偶性的角度考虑,在2k+1,3k+1,4k+1,6k+1中,2k+1,4k+1,6k+1都是奇数,除8后仍都是奇数,只有3k+1除8后余数能取到0,1,2,3,4,5,6,7.
例2定义在R上的奇函数且f(x+2)=f(x-2),且f(1)=2则f(2)+f(7)=.
解因为f(x+2)=f(x-2),知f(x+2T)=f(x).即f(x+4)=f(x).
所以f(7)=f(3+4)=f(-1+4)=f(-1)=-f(1)=-2.
f(-2)=f(-2+4)=f(2)
所以f(2)=0.从而f(2)+f(7)=-2.
链接若f(x+T)=±f(x-T), ①f(x+T)=f(x-T),2T是f(x)的周期,即f(x+2T)=f(x) 证明:f(x+2T)=f(x+T+T)=f(x+T-T)=f(x) ②f(x+T)=-f(x-T),4T是f(x)的周期,即f(x+4T)=f(x) 证明:f(x+2T)=f(x+T+T)=-f[(x+T)-T]=-f(x) 所以由(一)可得f(x+4T)=f(x). 情景再现
1.已知函数f(x)对任意实数x,都有f(a+x)=f(a-x)且f(b+x)=f(b-x),
求证:2|a-b|是f(x)的一个周期.(a≠b)
2.已知数列{xn}满足x1=1,x2=6,xn1xnxn1(n≥2),求x2006及S2006.
B类例题
例3定义在R上的奇数满足f(1+x)=f(1-x),当x4,5时,f(x)=2x-4,则x[1,0)时
f(x)=
因为f(1+x)=f(1-x),f(x)=f(-x),知f(x+4)=f(x), 故当x(0,1]时,x+44,5,f(x)=f(x+4)=2x+4-4=2x.
又x[1,0)时,即-x(0,1],所以f(x)=-f(-x)=-2-x(x[1,0))
链接:若f(T+x)=±f(T-x), (1)f(T+x)=f(T-x) ①若f(x)是偶函数,则2T是f(x)的周期,即f(x+2T)=f(x) ②若f(x)是奇函数,则4T是f(x)的周期,即f(x+4T)=f(x) (2)f(T+x)=-f(T-x) ①若f(x)是偶函数,则4T是f(x)的周期,即f(x+4T)=f(x) ②若f(x)是奇函数,则2T是f(x)的周期,即f(x+2T)=f(x) 例4设f(x)是定义在R上的偶函数,其图象关于直线x=1对称,对任意x1、x2∈[0,
1],都有f(x1+x2)=f(x1)·f(x2),且f(1)=a>0. 2
(1)求f()、f();
1214(2)证明f(x)是周期函数;
1),求lim(lnan).(2001年全国高考题)
n2n(3)记an=f(2n+
分析本题主要考查函数概念,图象函数的奇偶性和周期性以及数列极限等知识,还考查运算能力和逻辑思维能力.认真分析处理好各知识的相互联系,抓住条件f(x1+
x2)=f(x1)·f(x2)找到问题的突破口.由f(x1+x2)=f(x1)·f(x2)变形为
xxxxxf(x)f()f()f()f()是解决问题的关键.
22222解(1)因为对x1,x2∈[0,],都有f(x1+x2)=f(x1)·f(x2),所以
12f(x)=f()f()≥0,x∈[0,1]
又因为f(1)=f(+)=f()·f()=[f()]2
1214141414141212121212x2x2x2f()=f(+)=f()·f()=[f()]2
又f(1)=a>0
111∴f()=a2,f()=a4
241(2)证明:依题意设y=f(x)关于直线x=1对称,故f(x)=f(1+1-x),即f(x)=f(2-
x),x∈R.
又由f(x)是偶函数知f(-x)=f(x),x∈R,∴f(-x)=f(2-x),x∈R.
将上式中-x以x代换得f(x)=f(x+2),这表明f(x)是R上的周期函数,且2是它的一
个周期.
(3)解:由(1)知f(x)≥0,x∈[0,1]
1211111)=f(+(n-1))=f()·f((n-1)·) 2n2n2n2n2n∵f()=f(n·
=……
1111=f()·f()·……·f()=[f()]n=a2
2n2n2n2n11∴f()=a2n.
2n1又∵f(x)的一个周期是2
11∴f(2n+)=f(),因此an=a2n
2n2n1lna)0. 2n1∴lim(lnan)lim(nn例5(1997年全国高中数赛)已知数列{xn}满足xn1xnxn1(n≥2),x1a,x2b,记
Snx1+x2+?+xn,则下列结论正确的是()
A.x100??a,S100=2b?aB.x100??b,S100?2b?aCx100??b,S100=b?aD.x100??a,S100?b?a
解因为xn1xnxn1=(xn1xn2)xn1xn2,于是得xn6xn3xn所以数列{xn}是周期数列,
其周期为6k(k∈Z),且x1+x2+?+x6=0,x100=x4=-x1=-a.故S10016(x1+x2+?+x6)+x97+x98+?+x99+x100=x1+x2+x3+x4=x2+x3=2b-a.
例6设数列a1,a2,a3,…,an,满足a1=a2=1,a3=2,且对任意自然数n都有an·an+1·an+
2
≠1,an·an+1·an+2an+3=an+an+1+an+2+an+3,求a1+a2+a3+…+a100.
解由an·an+1·an+2an+3=an+an+1+an+2+an+3,①
得an+1·an+2·an+3an+4=an+1+an+2+an+3+an+4,②
两式相减得:(an-an+4)·(an+1+an+2an+3-1)=0,
由于an+1+an+2an+3≠1,所以an+4=an.
又a1=a2=1,a3=2,由①得2a4=4+a4,所以a4=4.
故a1+a2+a3+a4=8,于是a1+a2+a3+…+a100=25(a1+a2+a3+a4)=200.
情景再现
3.设f(x)是定义在区间(-∞,+∞)上以2为周期的函数,对k∈Z,用Ik表示区间(2k-1,2k+1],已知当x∈I0时f(x)=x2.
(Ⅰ)求f(x)在Ik上的解析表达式;
(Ⅱ)对自然数k,求集合Mk={a│使方程f(x)=ax在Ik上有两个不相等的实根}.
234.(2005年上海理科卷)在直角坐标平面中,已知点P2(2,2),P3(3,2),…,1(1,2),PPn(n,2n),其中n是正整数.对平面上任一点A0,记A1为A0关于点P1的对称点,A2为A1关于点P2的对称点,……,An为An1关于点Pn的对称点.
(1)求向量A0A2的坐标;
(2)当点A0在曲线C上移动时,点A2的轨迹是函数yf(x)的图象,其中f(x)是以3为周期的周期函数,且当x0,3时,f(x)lgx,求以曲线C为图象的函数在1,4的解析式;
对任意偶数n,用n表示向量A0An的坐标
C类例题 例7.(2005年广东卷19)设函数f(x)在(,)上满足f(2x)f(2x),f(7x)f(7x),且在闭区间[0,7]上,只有f(1)f(3)0.
(Ⅰ)试判断函数yf(x)的奇偶性;
(Ⅱ)试求方程f(x)0在闭区间[-2005,2005]上的根的个数,并证明你的结论.
解(Ⅰ)由f(2x)f(2x)f(x)f(4x)f(4x)f(14x)
f(7x)f(7x)f(x)f(14x)f(x)f(x10),从而知函数yf(x)的周期为T10
又f(3)f(1)0,而f(7)0,
f(3)f(310)f(7)0,所以f(3)f(3)
故函数yf(x)是非奇非偶函数;
(II)又f(3)f(1)0,f(11)f(13)f(7)f(9)0
故f(x)在[0,10]和[-10,0]上均有有两个解,从而可知函数yf(x)在[0,2005]上有402个解,在[-2005.0]上有400个解,所以函数yf(x)在[-2005,2005]上有802个解.
链接若f(a+x)=±f(a-x),且f(b+x)=±f(b-x),(a≠b) (1)若f(a+x)=f(a-x),且f(b+x)=f(b-x),或f(a+x)=-f(a-x),且f(b+x)=-f(b-x), 则2(b-a)是f(x)的周期,即f[x+2(b-a)]=f(x) 证明:因为f(2a+x)=f[a+(a+x)]=f(2a-x)=f(-x), 同理f(2b+x)=f(-x), 因为f[x+2(b-a)]=f[2b+(x-2a)]=f[(x-2a)]=f(x) 或f(2a+x)=f[a+(a+x)]=-f[a-(a-x)]=-f(-x), 同理f(2b+x)=-f(-x), 因为f[x+2(b-a)]=f[2b+(x-2a)=-f[2a+(-x)]=f(x). (2)若f(a+x)=f(a-x),且f(b+x)=-f(b-x),或f(a+x)=-f(a-x),且f(b+
x)=f(b-x), 则4(b-a)是f(x)的周期,即f[x+4(b-a)]=-f(-x).(证明留给读者完成) 例8数列{an}满足an=an-1-an-2(n≥3).如果它的前1492项之和是1985,而它的前1985项之和是1492.那么前2001项的和是多少(1985年中美数学邀请赛复赛试题)
解因为an=an-1-an-2=(an-2-an-3)-an-2=-an-3
同理an-3=-an-6
所以an=an-6
故数列{an}是周期数列.其周期为6.且f(n)=f(6k+n),(k∈N).
Sn=an+an-1+an-2+L+a1,且an=an-1-an-2(n≥3)
所以Sn=(an-1-an-2)+(an-2-an-3)+(an-3-an-4)+…+(a2–a1)+a2+a1
=an-1+a2(n≥3)
因此S1492=a1491+a2=a248×6+3+a2=a3+a2=1985,
S1985=a1984+a2=a330×6+4+a2=a4+a2=a3=1492.
由以上两式得a2=493,
所以S2001=a2000+a2=a333×6+2+a2=a2+a2=986.
情景再现
5.已知f(x)是定义在R上的函数f(10+x)=f(10-x),f(20+x)=f(20-x).则f(x)是().
A.周期为20的奇函数
B.周期为20的偶函数
C.周期为40的奇函数
D.周期为40的偶函数
6.在数列{an}中.an=13,an=56.对所有的正整数n都有an+1=an+an+2,求a1994.
(1994年第5届希望杯”竞赛题)
习题14
A类习题 1.定义“等和数列”:在一个数列中,如果每一项与它的后一项的和都为同一个常数,那么这个数列叫做等和数列,这个常数叫做该数列的公和.已知数列{an}是等和数列,且
a12,公和为5,那么(1)a18的值为_______,(2)这个数列的前n项和Sn的计算公式为
________________(2004年北京理工卷).
p22.若存在常数p0,使得函数f(x)满足f(px)f(px)(xR),则f(x)的一个正周期为.
(2003年春季北京卷)
3.对任意整数x,函数f(x)满足f(x1)1f(x),若f(1)2,则f(2003). 1f(x)4.已知函数f(x)的定义域为N,且对任意正整数x,都有f(x)=f(x-1)+f(x+1).若f(0)=2004,求f(2004).
5.已知对于任意a,b∈R,有f(a+b)+f(a-b)=2f(a)f(b),且f(x)≠0
⑴求证:f(x)是偶函数;
⑵若存在正整数m使得f(m)=0,求满足f(x+T)=f(x)的一个T值(T≠0)
6.记f(n)为自然数n的个位数字,an=f(n2)-f(n).求a1+a2+a3+L+a2006的值.
B类习题 n3若n10007.函数f定义在整数集上.满足:fn=,求f84的值.
fn5若n<100020068.已知数列{an}满足a1=1,a2=2,anan+1an+2=an+an+1+an+2,且an+1an+2≠1,求值.
ai1i的
9.设函数f(x)的定义域关于原点对称且满足:(i)f(x1-x2)=
f(x1)f(x2)1;
f(x2)f(x1)(ii)存在正常数a使f(a)=1.求证:
(1)f(x)是奇函数.
(2)f(x)是周期函数,且有一个周期是4a.
10.已知集合M是满足下列性质的函数f(x)的全体:存在非零常数T,对任意x∈R,有
f(x+T)=Tf(x)成立.
(1)函数f(x)=x是否属于集合M?说明理由;
(2)设函数f(x)=ax(a>0,且a≠1)的图象与y=x的图象有公共点,证明:
f(x)=ax∈M;
(3)若函数f(x)=sinkx∈M,求实数k的取值范围.
(2003年上海卷)
C类习题 11.整数数列{an},时对于每个n≥3都有an=an-1-an-2,若前2003项的和为a,(a≠0)则S5=()
A.aB.C.D.5a
(2003年希望杯)
12.设f(x)是一个从实数集R到R的一个映射,对于任意的实数x,都有|f(x)|≤1,并且f(x)+f(x+13)=4211f(x+)+f(x+),求证:f(x)是周期函数.
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本节“情景再现”解答:
1.不妨设a>b,于是f(x+2(a-b))=f(a+(x+a-2b))=f(a-(x+a-2b))=f(2b-x)=f(b-(x-b))=f(b+(x-b))=f(x)∴2(a-b)是f(x)的一个周期当a<b时同理可得.所以,2|a-b|是f(x)的周期
2.解法一:由x1=1,x2=6,及xn1xnxn1得x3=5,x4=-1,x5=-6,x6=-5,x7=1,
x8=6,所以数列{xn}是周期数列,其周期为6k(k∈Z),且x1+x2+?+x6=0,所以x2006=x6×334+2=x2=6.S2006=7
解法二:因为xn1xnxn1=(xn1xn2)xn1xn2,于是得xn6xn3xn所以数列{xn}是周期数列,
其周期为6k(k∈Z),且x1+x2+?+x6=0,所以x2006=x6×334+2=x2=6.S2006=7
3.⑴证明:令a=b=0得,f(0)=1(f(0)=0舍去)又令a=0,得f(b)=f(-b),
即f(x)=f(-x),所以,f(x)为偶函数
⑵令a=x+m,b=m得f(x+2m)+f(x)=2f(x+m)f(m)=0
所以f(x+2m)=-f(x)于是f(x+4m)=f[(x+2m)+2m]=-f(x+2m)=f(x)
即T=4m(周期函数)
4.(Ⅰ):∵f(x)是以2为周期的函数,∴ 当k∈Z时,2k是f(x)的周期.又∵ ∈Ik时,(x-2k)∈I0,∴ f(x)=f(x-2k)=(x-2k)2.即对 k∈Z,当x∈Ik时,f(x)=(x-2k)2.
当x
(Ⅱ)解:当k∈N且x∈Ik时,利用(Ⅰ)的结论可得方程(x-2k)2=ax,
整理得 x2-(4k+a)x+4k2=0.它的判别式是
△=(4k+a)2-16k2=a(a+8k).
上述方程在区间Ik上恰有两个不相等的实根的充要条件是a满足
a(ak)0a(a8k)0①12k1[4kaa(a8k)],化简a(a8k)2a②
2③1a(a8k)2a2k1[4kaa(a8k)]2由①知a>0,或a<-8k.当a>0时:因2+a>2-a,故从②,③可得≤2-a,即
.
1 2k1即所以0a当a<-8k时:2+a<2-8k<0,易知<2+a无解.
11,故所求集合(1)K>0时MK{a0a}
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