再谈函数最小正周期的机器证明
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上海中学数学・2014年第7~8期
——————————————————————————————————————————————————————一
再谈函数最小正周期的机器证明
324002
浙江省衢州市教育局教研室
浙江省衢州第一中学
李
李世杰
盛
324000
在文[1]中,笔者对函数最小正周期的机器证明作了初步讨论,文中所举实例均是定义在实数集R上的连续函数.对于更一般的周期函数,特别是定义域不是R的周期函数的最小正周期,如何借助信息技术给出机器证明,值得进一步探索,一、周期函数的课本定义与常用定义
在我国现行的各种高中新老教材中,对周期函数都是这样定义的(以下简称为课本定义):对于函数y一厂(.z),如果存在一个不为零的常数丁,使得当z取定义域内的每一个值时,.厂(z+丁)一.厂(.,r)都成立,那么就把函数3,一厂(T)叫做周期函数?不为零的常数丁叫做函数的周期.如果在所有正周期中有一个最小的,则称它是函数厂(T)的最小正周期.
周期函数的课本定义简洁明了,中学生容易接受,作为课本定义是最好的.但由于它的“简单性”,“课本定义”下的周期函数实际上是“广义”的周期函数,限制条件厂(z+了、)=厂(.,r)仅表明其图像向左边或右边单向波动,从整体上看图像并不一定是“周而复始”的.
在大学高等数学或数学分析教材中,通常采用以下另一定义(以下简称为常用定义):对于函数∥一.厂(.T),如果存在一个不为零的常数T,使得当丁取定义域内的每一个值时,厂(z—T)一.厂(t—r)一厂(o’+丁)都成立,那么就把函数y一.厂(.『r)叫做周期函数.不为零的常数T叫做函数的周期.
常用定义下的周期函数,实际上就是把课本定义中的限制等式厂(.,r+T)一厂(z)改为厂(z—T)一厂(z),且厂(T)一厂(T+T),表明其图像可以向左边及右边双向波动,这样的周期函数图像一定是周而复始的,是笔者要研究的理想的周期函数.
课本定义下的周期函数,定义域至少一端无界;常用定义下的周期函数,定义域二端均无界.常用定义下的周期函数,一定是课本定义下的周期函数.反
之,则不然.如函数y—si眦,z∈(o,+。。),容易证
明它是课本定义下的周期函数,最小正周期为2丌,但它不是常用定义下的周期函数,这从函数定义域可以看出.
万方数据
二、常用定义下函数最小正周期的机器证明
对于常用定义下的一般的周期函数,类似文[1],下面给出函数最小正周期求解的机器证明方法,其主要依据如下.
定理若常用定义下的周期函数.厂(T)定义在实数集D上,有最小正周期T。,则.厂(z)的任何周使丁一行T’.
证明:如果正周期T不是T’的正整数倍,由带余除法可得丁一72丁。+r(其中o<r<丁+),
而厂(.r+11)一厂(z),于是,(z+7zT’+r)一厂(.r+r+卵丁+)一厂(、z+r)一/(z).(*)
即r是厂(.r)的正周期,但,-<T+,与丁+是最小同理可以证明:如果厂(z)有最小正周期T+,注:对课本定义下的周期函数,上面结论不成反例
设厂(T)一1,、r∈D,这里D一[o,1]U
[3,+。。),则在课本定义下,丁+一3是厂(z)的最小面等式不成立.
推论若常用定义下的周期函数,(z)定义在T]上,函数,(z)的图像不能再均分,则函数厂(z)的最小正周期为丁+一丁;如果函数厂(z)的图像最多能均分为以(咒≥2)等份,则函数,(z)的最小正周
丁
期为T’一二.
H
证明:对函数厂(z)的最小正周期T’和正周期T,根据定理,有T一7zT+(九∈N’),因此在一个周期区间[o,丁]上,函数厂(.z)的图像至少可以再均分为超等份.若函数,(z)的图像不能再均分,则挖一1,即函数厂(.z)的最小正周期为丁+一丁;若函数厂(z)的图像
T
最多只能均分为竹(咒≥2)等份,则[o,÷]就是最小的
期丁一定是T+的整数倍,即存在72(行∈z,咒≠o),正周期相矛盾.所以丁一咒丁+.
那么厂(z)的任何负周期丁7一定是丁’的负整数倍.
立,问题出在等式(*)处.
正周期,T一5是.厂(z)的一个正周期,T=72T。+2,取z一0,(*)处即/(0+3+2)一厂(o+2),这一等式左边一1,但由于o+2睡D,故等式右边无意义,上实数集D上,有正周期丁,如果在一个周期区间[o,
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周期区间,即函数,(.z)的最小正周期为T+一÷.
例1求函数,(T)一I
tanz+coscosta眦I的最
小正周期.
解:由于y—ta眦的最小正周期为7r,猜测丌也
是厂(T)的一个周期.
对函数厂(z)的定义域中的任一实数T,容易验证:厂(T+丌)一Itan(z+7r)+coscostan(z+丌)1一
tanz+coscostanz
I一厂(z),
厂(z一7r)一Itan(z一7r)+coscostan(T一丌)l—
tarLz+coscostarLzl一/‘(T).
所以厂(.,r一7f)一厂(.r)一厂(T+丌),说明丌是函数厂(T)的一个周期.再利用几何画板画出函数,(z)的图像(如图1).观察函数厂(z)在一个周期区间
f一号,号1上的图像,没有
图l
周而复始,表明图像已经不能再均分了,根据定理推
论,函数厂(.T)的最小正周期为丌.
从本例解题过程,可总结出常用定义下求函数最小正周期的这种借助计算机软件进行证明(简称机器证明)方法的步骤.
1.猜测:正数T是函数.厂(z)的一个周期.2.检验:对函数.厂(z)的定义域的任一实数z和正数丁,检验连等式厂(、r—T)一,(z)一厂(z+丁)是否成立?
如果上面连等式成立,得出结论:正数T是函数厂(T)的一个周期.如果上面连等式不恒成立,则正数丁不是函数厂(z)的周期.
3.作图:利用几何画板等软件画出函数厂(z)的(局部)图像.
4.得出结论:观察在一个周期区间[z。,z。+丁]上函数.厂(z)的图像,若函数厂(z)的图像不能再均分,则函数.厂(z)的最小正周期为T;如果函数厂(T)的图像最多还能均分为以等份,则根据定理推论,函
T
数厂(z)的最小正周期为二.
儿
这4个步骤,缺一不可.第1步,根据经验,猜测厂(-r)的一个正周期为T,这是第2步检验的先决条件;但具体解题时,这一步常略去不写.第2步,经检验证明T是一个正周期后,就能化无限为有限,研究函数的周期性,只要局限在一个周期区间[z。,T。+丁]内就可以了,因为常用定义下周期函数的整体性质,无非是它在一个周期内的性质进行周期延拓的结果.第3步是机器证明的关键,利用几何
万方数据
画板等软件快速绘出函数的(局部)图像.第4步,通过分析研究一个周期内函数的图像能否再均分,得出结论.
下面举例加以说明,这些例子用常规方法求解过程很复杂.
例2求函数厂(T)一sin8告一tan2z的最小正
周期.
解:由于厂(z+4丌)一sins(!#堑)一tanz(.r+
4丌)一sin8要一tan2z一厂(LT),厂(z一47r)一
sin8(堑≠)一tan2(z一4丌)一sin8詈一tan2T一
厂(z),所以厂(z一丌)一厂(z)一厂(T+7r),说明4丌是函数厂(z)的一个周期.再利用几何画板画出函数,(z)的图像(如图2)
2.
八
‘
’.八...八..
’★\
。仨V价nn
图Z
观察函数,(z)在一个周期区间(一等,萼)上
的图像,最多还可以再均分为2份,表明图像已经不能再均分了,根据定理推论,函数厂(z)的最小正周
期为婴一2丌.
例3求下列函数的最小正周期:
(1)m)一焉.
(2)础)一忑舞畿犏.
解:(1)对函数厂(T)的定义域中的任一实数
z,容易验证:
,(z+丌)一r銎嚣燃一罴一厂(T),厂(z一丌)一r銎岩鹅一篇一厂(z).
所以厂(z一丌)一,(z)一厂(z+丌),说明丌是函数,(z)的一个周期.再画出函数,(z)的图像(如
图3).
观察函数厂(z)在一个周期区间(o,丌)或
(一{,等1上的图像,没有周而复始,表明图像已经
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不能再均分了,根据定理推论,函数,(z)的最小正周期为丌.
图3
(2)对函数g(z)的定义域中的任一实数z,容易验证:
如托护丽群黟舞羞‰册
sin(5z+7)
一赢恧再丽面丽再面一g(‘r),
加1护面若桨舞搿‰
一鬲而习虿丽磁i雨了一g(z)‘
sin(5.z+7)
所以g(z一2丌)一g(T)一g(z+27r),说明2丌是函数g(z)的一个周期.利用几何画板画出函数g(丁)的图像(如图4).
4
2
图4
观察函数g(z)在一个周期区间[o,27r]上的图像,最多还可以再均分为2份,根据定理推论,函数
f)一
g(z)的最小正周期为等一丌.
厶
例4
求函数厂(z)一sinsin(5z+1)・tan(3z
+5)的最小正周期.
解:对函数,(z)的定义域中的任一实数z,容易验证:
厂(z+27r)=sinsin[5(z+2丌)+1]tan[3(z+27r)+5]一sinsin(5z+1)tan(3z+5)一厂(z),
厂(z一2丌)一sinsin[5(.r一27r)+1]tan[3(z一27f)+5]一sinsin(5z+1)tan(3z+5)一厂(T).
所以厂(z一27f)一厂(z)一,(z+27r),说明27r是函数,(z)的一个周期.
再画出函数厂(z)的图像(如图5).
万方数据
图5
观察函数,(z)在一个周期区间[o,27r]上的图像,没有周而复始,表明图像已经不能再均分了,根
据定理推论,函数厂(z)的最小正周期为2丌.
例5求函数厂(z)一Isin(5z+3)P。H¨的最小正周期.
解:对函数厂(z)的定义域中的任一实数z,容易验证:
厂(z+2丌)=lsin[5(z+27r)+3]Icos[‰+2神+1]一sin(5z+3)l”“k+1’一厂(z),
,(z一2丌)一Isin[5(z一27r)+3]l。。5[3‘一2神+1]一|sin(5z+3)l。“孙+1’一厂(z).
所以厂(z一27r)=,(z)一,(z+2丌),说明27r是函数厂(z)的一个周期.再利用几何画板画出函数,(z)的图像(如图6).
观察函数厂(z)在一个周期区间[o,2丌]上的图像,没有周而复始,表明图像已经不能再均分了,根
据定理推论,函数厂(z)的最小正周期为2丌.
例6
求函数,(z)一Isin(5z+1)J+
tanc寻z+,,f+Itanc号z+,,J的最小正周期.
解:对函数厂(z)的定义域中的任一实数z,容易验证:
厂(z+67r)一Jsin[5(z+67r)+1]I+
tan[詈cz+6丌,+,]I+Itan[导cz+6丌,+,]|一旧nc5z+,,I+Itanc詈z+,,I+ltanc号z+・,l一
,(z),
厂(z一6丌)一lsin[5(z一67r)+1]I+
tan[号cz一6丌,+,]I+ltan[导cz一6丌,+,]I一旧ncsz+,,l+ltanc詈z+,,I+Itanc号z+,,I一
厂(z).
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所以,(z一67r)一厂(.r)一厂(T+6丌),说明67r是函数厂(z)的一个周期.再利用几何画板画出函数厂(.r)的图像(如图7).
图7
观察函数厂(z)在一个周期区间[o,6丌]上的图像,没有周而复始,表明图像已经不能再均分了,根据定理推论,函数.厂(z)的最小正周期为67r.
例7
求函数g(z)一l。&器的最小正周期.
分析:可类似前面数例直接求出函数g(z)的最小正周期,也可转化为求较简单函数的最小正周期.
解:记厂(z)一恶,则对函数厂(丁)的定义
域中的任一实数z,容易验证:
,(z+2)=厂(T一2)2娄詈蠹端一恶一,(z)
鬲五五乏而一面五品磊
sinsin玎(z+2)一sinsin7cT一,(T),
。
cOscOs7rL、z—Z,
。
cOscOs兀r
所以,(z一2)一,(z)一厂(T+2),说明2是函数,(z)的一个周期.再利用几何画板画出函数厂(T)的图像(如图8)
‘_)门
吨UUn.n.几厂
U2UU2兀
图8
观察函数.厂(z)在一个周期区间[o,2]上的图
像,没有周而复始,表明图像已经不能再均分了,根据定理推论,函数.厂(z)的最小正周期为2.
由于g(z+丁)一g(z)甘厂(z+T)一厂(z)>o,说明函数y—g(,z)和y一厂(z)>O的周期性相同.而y一,(z)>0的图像,是y一,(z)的图像在z轴上方部分(如图9),故函数y—g(z)和y一厂(z)>o的最小正周期均为2.
图9
三、课本定义下函数最小正周期的机器证明
对于课本定义下定义域不是R的周期函数的
万方数据
最小正周期,可用如下方法求解.
1.利用常用定义下求函数最小正周期的方法由于常用定义下的周期函数,一定是课本定义下的周期函数.所以对于定义域不是两端无界的部分函数,要判断函数是否为课本定义下的周期函数,可先把函数拓展为两端无界,再利用常用定义下函数最小正周期的证明方法来求解.
例8
求函数g(T)一sinsinsinsinz+tancos丁
(z>o)的最小正周期.
解:先判断函数.厂(z)一sinsinsinsinz+tancosz的周期性.由于
,(z+27r)一sinsinsinsin(T+2丌)+tancos(z+
27f)一sinsinsinsinz+tancosT一,(T),
,(z~27r)一sinsinsinsin(z一2丌)+tancos(z一27r)一sinsinsinsinz+tancosz=厂(z).
所以厂(z一2丌)一.厂(z)一厂(z+27r),说明2丌是函数厂(z)的一个周期.
再画出函数厂(z)的图像(如图10).
图10
观察函数.厂(z)在一个周期区间[O,2丌]上的图像,没有周而复始,表明图像已经不能再均分了,根据定理推论,函数,(z)的最小正周期为2巧。所以在课本定义下,函数g(z)的最小正周期为27r.
例9
求函数g(z)一cosSin2z+志(z>
lOO)的最小正周期.
解:先判断函数.厂(z)一cossin2z+・—!三f的
。
SlnCoS6二r
周期性.由于,(z+2,r)一c。ssin2(z+27r)+
五磊东耳丽一cossin2z+磊蒜2厂(z),
一cossin2z+_—备一厂(T).
,(z一2巧)一cossin2(・r一2巧)+磊i五孬乏i丽slnCOS5z
。
所以厂(,z一2,r)一厂(z)一/(z+2,r),说明2,r是函数.厂(T)的一个周期.
再画出函数厂(z)的图像(如图11).
UU∥UUUUUU
图1l
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利用几何画板迭代
推导扇形面积公式
200020
上海市向明初级中学
李孙昊
上海教育出版社六年级第一学期数学教材中,第四章“圆和扇形”的教学难点在于渗透化曲为直、数,所以不妨让A组有r0乱7zdf詈\个小扇形,B组
\厶/
无限逼近等数学思想方法,能有效地发展学生的空间观念和想象能力.因此,除了让学生熟练掌握运有£,一“竹cf鲁1个小扇形,其中ro“7z矗可等效一个上
\厶,
算,理解有关公式推导过程也是必要的.但是在上一取整函数,£r姗c可等效一个下取整函数.
节“圆的面积”的实际教学中,教师将圆等分成若干首先在几何画板上作圆o,作为扇形所在的圆,份,进而拼合成一个近似矩形来推导圆的面积公式,并在圆上任意取两点A,B,联结OA和OB,构造弧学生对这一近似矩形的长和宽并没有直观的认识.AB,不妨假设么AOB是一个锐角,AB是一段劣弧,因此,为了让学生从视觉上感受到近似矩形是由各扇形AOB由半径OA,0B,AB围成.点击“数据”一小扇形头尾拼合而成,除了仿照教材上的插图设计“新建参数”,新建一个参数咒,表示扇形AoB被平动态课件外,还可以在细节上打磨,例如对等分扇形均分成行等分,初始时不妨设定行一7.度量角
采用双色设计,来区分上排和下排的扇形.通过教学/^nD
发现,此课件能更好地引导学生思考这个近似矩形的
么AoB的度数,点击“数据”一“计算”,求垒三型,
,£
1
长和宽,从而推导出扇形的第二面积公式S一÷阢
得到竹等分小扇形所对应的圆心角.为了使扇形厶
AOB所对应的圆心角AOB能在深度迭代后依旧保所谓双色设计,即将等分的小扇形分为两组,例如A持不变,构造弧AB上的点C,使点C成为一个“伪
组和B组,用红色标识A组,用黄色标识B组.因为等分成的小扇形个数可能是奇数,也可能是偶
装”的点A.将点C绕圆心O按逆时针旋转刍竺
/d,、D
观察函数厂(z)在一个周期区间[o,2万]上的图像,没有周而复始,表明图像已经不能再均分了,根观察函数厂(z)在一个周期区间f鲁,等1上的
\厶
厶,
据定理推论,函数.厂(z)的最小正周期为2丌.
图像,最多还可以再均分为2份,根据定理推论,函
所以在课本定义下,函数g(.r)的最小正周期为2兀2.利用定义域的对称性
数.厂(z)的最小正周期为等一丌.
‘)一
厶
文[3]证明了如下结论:如果函数厂(z)的定义从上可见,利用几何画板等数学软件,可以大大域关于某点对称,则课本定义与常用定义等价.
提高求较复杂周期函数最小正周期的工作效率,充因此,如果能判断函数.厂(z)的定义域关于某点对分体现信息技术的优越性.但值得指出的一点是,本称,则仍可用文[1]中的方法证明函数的最小正周期.
文中所用证明方法正确的前提是作出的函数图像必例10
求函数厂(z)一tan2z+cos4z的最小正
须正确.如果函数的解析式过于复杂,用几何画板等周期.
数学软件作的电脑图并不一定能显示函数的完整图形,此时要避免以偏概全,防止出错.解:函数厂(z)定义域为z≠是丌+号,志∈z,对
称于原点,由于厂(z+2丌)一tan2(z+2丌)+cos4(z参考文献
+27r)一tan2z+c。s4z一,(z).
[1]李世杰,李盛.函数最小正周期的机器证明[J].上海中
说明2丌是函数,(z)的一个周期.再利用几何学数学,2012,4.
画板画出函数厂(z)的图像(如图12).
[2]李世杰.对周期函数课本定义的商榷与建议[J].中学数
学教学,1988,3.
[3]李世杰,吴卫国,张方盛.对函数周期性中容易混淆的若
干问题探讨[J].上海中学数学,2001,2.
[4]张方盛,李世杰等.函数中容易混淆的典型个例剖析
[M].上海大学出版社,1999。
[5]李世杰,李盛.区域图案的周期性[J].中学教研(数学),
2014,1.
[6]李世杰,李盛.平面区域的对称性[J].中学教研(数学),
图12
2013。1.
万方数据