两次反射的复合会产生平移。将这种图像操作写成函数等式,可以统一处理抽象函数的对称与周期。以下先设定义域为全体实数;若为其他集合,要另查每次变换都保持定义域。
轴对称、中心对称与平移后的奇偶性
对函数 f:D→R,设反射 x↦2a−x 保持定义域,即 x∈D⟺2a−x∈D。有以下完整等价关系:
图像关于直线 x=a 对称图像关于点 (a,b) 对称⟺f(2a−x)=f(x)(x∈D),⟺f(a+t)=f(a−t)(a±t∈D);⟺f(2a−x)=2b−f(x)(x∈D),⟺f(a+t)+f(a−t)=2b(a±t∈D).
证明来自点的对应:轴反射把 (x,f(x)) 送到 (2a−x,f(x)),中心反射把它送到 (2a−x,2b−f(x));像点仍在同一图像上,正好给出等式。反过来,等式和域不变性保证每个点的反射都在图像上,所以也足以推出对称。
令 F(t)=f(a+t),轴对称等价于 F 为偶函数;令 G(t)=f(a+t)−b,中心对称等价于 G 为奇函数。若 a∈D,中心对称必给出 f(a)=b;若 a∈/D,中心可以不在图像上,例如双曲线。
有限零点的配对。 若关于 x=a 对称且恰有 N 个不同实零点,反射将零点集映回自身,故
i=1∑Nxi=i=1∑N(2a−xi),i=1∑Nxi=Na.
N 为奇数时一定包含中心位置 a;否则每个零点与不同的反射点成对,总数应为偶数。例如 f(x+1)=f(2−x) 在全体实数上成立,令 t=x+1 得 f(t)=f(3−t),对称轴为 x=3/2,101 个零点之和为 303/2。
平移后的奇偶性如何还原对称中心
设 m=0,g(t)=f(mt+a)+b,且定义域满足相应的对称条件。若 g 为奇函数,则
f(a+mt)+f(a−mt)=−2b,
所以 f 的图像关于 (a,−b) 中心对称;若 g 为偶函数,则 f(a+mt)=f(a−mt),图像关于 x=a 对称。例如 f(2t+1)+3 为奇函数,中心为 (1,−3),纵坐标的负号来自常数项移到等式另一侧。
一般地,中心 (a,B) 的对称把高度 0 变成高度 2B,所以中心对称不保证零点关于中心横坐标成对。例如 f(x)=x3+1 关于 (0,1) 对称,但唯一零点为 −1。只有中心纵坐标为零时,才可据此把零点成对。
两条对称轴
若 f(2a−x)=f(x)、f(2b−x)=f(x),则
f(x+2(b−a))=f(2b−(2a−x))=f(2a−x)=f(x).
当 a=b 时,2∣b−a∣ 是一个正周期。它未必是最小正周期,甚至可能不存在最小正周期。例如常函数具有每一条竖直对称轴。
两个中心不一定给周期
若图像关于 (a,A)、(b,B) 中心对称,则
f(x+2(b−a))=f(x)+2(B−A).
只有当 A=B 且 a=b 时,才能直接得到非零周期。若 B=A,这是一条带竖直增量的平移关系。例如 f(x)=x 有无数个对称中心,但没有非零周期。
若另知 f 在实轴上有界且 a=b,反复平移给出 f(x+2n(b−a))=f(x)+2n(B−A),迫使 B=A。
对称轴与中心的组合
若 f 关于 x=a 对称,又关于 (b,B) 中心对称,令 g(x)=f(x)−B。则 g(2a−x)=g(x)、g(2b−x)=−g(x),因此
g(x+2(b−a))=−g(x),g(x+4(b−a))=g(x).
a=b 时,4∣b−a∣ 是周期。a=b 时同一个反射既保持又改变 g 的符号,所以 g≡0。
一般地,若 g(x+T)=−g(x)、T=0,则 2T 为周期;T 本身除非 g≡0,否则不是周期。
代入得到的周期关系
若 f(x)f(x+2)=13 对任意实数成立,则 f 处处非零。将 x 换成 x+2 得 f(x+2)f(x+4)=13,约去非零因子,得 f(x+4)=f(x)。
例如已知 f(1)=2,则 f(3)=13/2;因 111≡3(mod4),f(111)=13/2。这里的整数余数只是定位周期的算术运算,不需要建立数论专题。
倍增关系可通过除去指数因子转为周期
设 T>0,c>0,函数定义在全体实数上,满足 f(x+T)=cf(x)。令 g(x)=f(x)/cx/T,则
g(x+T)=cx/T+1cf(x)=g(x).
所以 f(x)=cx/Tg(x),其中 g 为具有周期 T 的函数。只有 c=1 时,原关系本身才是普通周期关系。
例如 f(x+2)=4f(x),f(1)=3,逐次代入可得 f(7)=43⋅3=192,却不能由此确定 f(0)。给一个初值只确定一条等间隔输入链;要确定整条函数,通常还需给一个基本区间上的信息。
周期函数不自动有界
周期性只需考察一个周期段,但该段上的函数未必有界。例如定义 f(x)=1/{x}(x 非整数),整数处定义为 0。它周期为 1,但靠近任意整数的右侧都无界。
要从周期推出有界,还需能控制一个完整周期段,例如函数在该闭区间连续。
使用教材周期判据时的三项检查
从 f(x+T)=−f(x) 或 f(x+T)=1/f(x) 推出 2T 是周期,须满足 T=0,而且相应平移能在定义域中反复进行;倒数关系还要求 f 处处非零。再代入一次 x+T 才能完成证明。
“双对称”也需说明是哪两种对称。两条不同竖直对称轴确实给出周期;两个对称中心只有纵坐标相等时,才能直接得到纯水平方向的周期。f(x)=x 就反驳了“任意双对称都推出周期”的说法。
对于非全实数定义域,本手册所说周期还要求定义域在正、负方向平移该周期后保持不变。只在两个定义区间的重叠部分满足等式,不能据此称整个函数为周期函数。
周期之和与可公度的准确表述
两个非零周期 T1,T2 若比值为有理数,称可公度。若 T1/T2=m/n>0,其中 m,n 为正整数,则 nT1=mT2 同时是两函数的周期,也是和函数的周期。但和函数可能成为常函数,或因消去部分振动而具有更小周期。
例如 f(x)=sinx+sin2x,g(x)=−sinx 的最小正周期均为 2π,其和为 sin2x,最小正周期缩短为 π。
对于定义在整个实轴上的两个周期函数,若其中一个连续,则其和为周期函数,当且仅当两函数存在可公度的周期。强调“存在”,常函数可取任意非零周期。该判据不能无条件套到不连续函数,也不能只凭两次代入就判断最小正周期。
连续性在周期和判据中起什么作用
先说明连续周期函数若非常数,就有最小正周期。它的周期集合对加减封闭,且非零周期的极限若非零仍为周期,后者来自连续性。若正周期能任意接近零,则给定 x,y,可用某个周期 T 的整数倍把 x 移到离 y 小于 T 的位置;连续性迫使 f(x)=f(y),与非常数矛盾。于是正周期有正的下确界,并由连续性取到。任一正周期除以最小正周期的余数仍应为周期,故余数只能为零。
现设 f 连续且周期,g 周期,f+g 有正周期 t。令
h(x)=f(x+t)−f(x)=g(x)−g(x+t).
h 连续,且 f,g 各自的周期都是 h 的周期。若 h 非常数,它有最小正周期,故任取 f,g 的正周期都是它的整数倍,从而可公度。
若 h≡c,反复相加给 f(x+nt)=f(x)+nc。连续周期函数在一个闭周期区间上有界,因而在实轴上有界,所以 c=0。这时 t 同时是 f,g 的周期。充分性已由公共周期说明。
这段论证用于理解假设;基础题通常只需构造一个公共周期,无需求一般连续函数的周期结构。
有限交点集的坐标和由配对得到
若两条曲线各自关于同一点 (a,b) 对称,它们的有限交点集也关于该点对称。设有 N 个不同交点 Pi=(xi,yi),反射只重新排列这些点,因此
i=1∑Nxi=i=1∑N(2a−xi),i=1∑Nyi=i=1∑N(2b−yi),
得到横坐标和 Na、纵坐标和 Nb。若两条曲线互相由该中心反射得到,同样成立。中心本身即使是交点,也不影响证明。
例如两曲线都关于 (1,2) 对称,且已知恰有五个交点,则坐标和分别为 5 与 10。但单凭对称性不能推出交点有几个,也不能把无限交点的坐标直接相加。
用平移多项式、零点集和反函数识别对称
多项式的对称轴。 若 P(x)=x4+2x3+4x2+cx 关于 x=a 对称,令 x=a+t,则 P(a+t) 的所有奇次项系数必须为零。三次项系数为 4a+2,故 a=−1/2;一次项系数为 4a3+6a2+8a+c=c−3,故 c=3。反过来这两个奇次项均消失,剩下偶次项,确实关于该轴对称。
用零点集定位轴,再证明充分性。 F(x)=min{∣x∣,∣x+t∣} 的零点集为 {0,−t}。若图像关于 x=2 对称,零点 0 的反射 4 也必须是零点,故 t=−4。代回 F(4−x)=min{∣4−x∣,∣x∣}=F(x),条件充分。只由零点猜到对称轴还不够,最后这次代回不可省。
反函数交换中心坐标。 原函数与反函数图像关于 y=x 对称,中心 (a,b) 也相应变为 (b,a)。例如
y=x−a−1a−x=−1−x−(a+1)1
是以 (a+1,−1) 为中心的双曲线,反函数中心为 (−1,a+1)。已知后者为 (−1,4),得到 a=3。分母不能为零,原函数不取 −1,这两个缺失值也分别对应两条渐近线。
绝对值分段函数的中心:必要条件与充分性都要证明
求参数 a,使
f(x)=(x+a)(∣x+1−a∣+∣x−3∣)−2x+4a
的图像有对称中心。两个分段位置为 a−1,3,中点为 m=(a+2)/2,半距离 d=∣a−4∣/2。
若 a=4,两分段点之间函数为一次式(包括常数式),两外侧为二次项系数分别 −2,2 的二次式。因此中间是唯一最大的线性区间。中心反射保持“在某区间为一次式”的性质,必须把该区间映到自身,故中心横坐标只能是 m。若 a=4,两个位置合为唯一的二次式切换点 3,中心反射也必须保持这一切换点,故中心横坐标只能为 3=m。
现在平移 x=m+u,利用 ∣u+d∣+∣u−d∣=2max{∣u∣,d},得
f(m+u)=2(u+m+a)max{∣u∣,d}−2u−2m+4a.
于是
f(m+u)+f(m−u)=4(m+a)max{∣u∣,d}−4m+8a.
中心对称要求这对所有 u 为常数,而 max{∣u∣,d} 非常数,因此必须 m+a=0,即 (3a+2)/2=0,得到 a=−2/3。反过来取此值,m=2/3,上式恒为 −8,所以中心确为 (2/3,−4)。这里既不能只检验两条尾部二次式,也不能仅凭绝对值的分段中点就断言整体存在中心。
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