Периодичность функций. Периодическая функция: общие понятия

ФУНКЦИИ И ПРЕДЕЛЫ IX

§ 207. Периодические функции

Функция у = f (x ) называется периодической, если существует число Т =/= 0, такое, что при всех значениях х из области определения зтой функции.

f (x + T) = f (x ) .

Число Т в этом случае называется периодом функции.

Периодическими являются, например, тригонометрические функции у = sin х и у = cos х . Их период равен 2π . Примером периодической нетригонометрической функции может служить функция у = {х }, которая каждому числу х ставит в соответствие его дробную часть*.

* О дробной части числа см. в главе VIII, § 187.

Например, {3,56} = 0,56; {2,01} = 0,01 и т.д. Если к произвольному числу х прибавить 1, то изменится лишь целая часть этого числа; дробная же часть останется прежней. Следовательно, {х + 1} = {х } и потому функция у = {х } является периодической с периодом 1.

Из равенства f (x + T) = f (x ) следует, что все значения функции у = f (x ) повторяются с периодом T. Это находит свое отражение и в графическом изображении периодических функций. Так, например, в интервале синусоида имеет ту же самую форму, что и в интервалах , и т. д. (рис. 282).

На рисунке 283 представлен график функции у = {х }. Периодичность функции у = {х } обусловливает то, что график ее в интервале имеет ту же самую форму, что и в интервалах , и т. д.

Если Т - период функции f (x ), то 2Т, 3T, 4Т и т. д. также периоды этой функции.

Действительно,

f (x + 2T) = f [(x + T) + Т] = f (x + T) = f (x ),

f (x + 3T) = f [(x + 2T) + Т] = f (x + 2T) = f (x )

и т. д. Кроме того, периодом функции f (x ) можно считать и любое из чисел: - Т, - 2T, - 3Т и т. д. В самом деле,

f (x - Т) = f [(x - Т) + Т] = f (x ),

f (x - 2Т) = f [(x - 2Т) + 2Т] = f (x )

и т. д. Итак, если число Т есть период функции f (x ), то при любом целом п число п Т также период этой функции. Поэтому всякая периодическая функция имеет бесконечное множество периодов . Например, периодом функции у = sin x можно считать любое из чисел: 2π , 4π , 6π , - 2π , - 4π , а периодом функции у = {х } - любое из чисел: 1, 2, 3, - 1, - 2, - 3 и т. д.

Говоря о периоде функции у = f (x ), обычно имеют в виду наименьший положительный период. Так, мы говорим, что периодом функции у = sin х является число 2π , периодом функции у = tg х - число π , периодом функции {х } - число 1 и т. д.

Следует, однако, иметь в виду, что наименьшего положительного периода у периодической функции может и не быть.

Например, для функции f (x ) = 3 (рис. 284) любое действительное число является периодом. Но среди положительных действительных чисел не существует наименьшего. Поэтому и функция f (x ) = 3, имея бесконечное множество периодов, не имеет наименьшего положительного периода.

Упражнения

Для каждой из данных функций (№ 1613-1621) найти наименьший положительный период:

1613. у = sin 2х . 1619. у = sin (3х - π / 4).

1614. у = cos x / 2 . 1620. у = sin 2 х

1615. у = tg 3х . 1621. у = sin 4 х + cos 4 х .

1616. у = cos (1 - 2х ).

1617. у = sin х cos х .

1618. у = ctg x / 3 ;

1622. Доказать, что сумма и произведение двух функций, периодических с одним и тем же периодом Т, являются функциями, периодическими с периодом Т.

1623*. Докажите, что функция у = sin х + {х }, являющаяся суммой двух периодических функций у = sin х и у = {х }, сама не является периодической.

Не противоречит ли это результату предыдущей задачи?

1624. Как достроить график функции у = f (x ), периодической с периодом Т, если он задан лишь в интервале ?

Материал для подготовки к коллоквиуму по алгебре.

1. Определение функции.

Функция - зависимость переменной у от переменной x , при которой каждому значению х соответствует единственное значение переменной у .

2. Определение возрастающей функции.

Возрастающая функция (не убывающая) - если для любых значений х 1 и х 2 , таких, что х 1 < х 2 , выполняется неравенство (если большему значению аргумента из этого промежутка соответствует большее значение функции).

Чтобы по графику функции определить промежутки возрастания функции , нужно, двигаясь слева направо по линии графика функции, выделить промежутки значений аргумента х , на которых график идет вверх .

Убывающая функция (не возрастающая) - если для любых х 1 и х 2 , таких, что х 1 < х 2 , выполняется неравенство (большему значению аргумента из этого промежутка соответствует меньшее значение функции.

Чтобы по графику функцииопределить промежутки убывания функции , нужно, двигаясь слева направо вдоль линии графика функции, выделить промежутки значений аргумента х , на которых график идет вниз .

Определение четной функции, нечетной функции, функции общего вида.

Функция называется четной, если выполнены следующие два условия:

1. если (если х – х

2. для любого х .

Функция называется нечетной , если выполнены следующие два условия:

1. Если область определения функции симметрична относительно оси ОУ (если х принадлежит области определения функции, то и – х также принадлежит области определения функции);

2. для любого х из области определения функции выполняется равенство .

Функция называется функцией общего вида если не выполняются данные условия.

4. Каким условием обладает график четной, нечетной функций?

Свойство. График чётной функциисимметричен относительно оси ОY .

Свойство. График нечётной функции симметричен относительно начала координат .

Определение периодической функции.

Функция называется периодической , если существует положительное число Т такое, что . Наименьшее число с таким свойством называется периодом функции.

6. Перечислите основные свойства функции y= sin x:

1) Область определения функции - все значения, которые принимает независимая переменная х .

Область определения этой функции - множество всех действительных чисел. Так как вместо х в уравнение y=sin(x) мы можем поставить любое число. D (sin х) = R.

2) Область значений функции - все значения, которые принимает зависимая переменная у .

Область значений этой функции - является отрезок [-1;1]. E (sin х) = [-1;1].

3) Функция называется периодической, если существует положительное число Т такое, что . Наименьшее число с таким свойством называется периодом функции.

Функция y=sin(x) периодическая, с периодом 2π.

4) Функция y=sin(x) нечетная. Вспомним, что график нечётной функциисимметричен относительно начала координат.

5) Функция y=sin(x) принимает:

Значение, равное 0, при х =

Наименьшее значение, равное -1, при х= - ;

Положительные значения на интервале (0,π) и на интервалах, получаемых сдвигом этого интервала на ;

Отрицательные значения на интервале ()и на интервалах, получаемых сдвигом этого интервала на ;

6) Функция y=sin(x):

- возрастает на отрезке [ - ; ], и на отрезках, получаемых сдвигом этого отрезка на ;

Убывает на отрезке [ ; ], и на отрезках, получаемых сдвигом этого отрезка на ;

7. Перечислите основные свойства функции y= cos x:

1) Область определения этой функции - множество всех действительных чисел. D(cos) = R.

2) Область значений этой функции - является отрезок [-1;1]. E (cos)=[-1;1].

3) Функция y = cos (x) периодическая, с периодом 2 .

4) Функция y=cos(x) четная. Напомню, что график нечётной функции симметричен относительно оси ОY.

5) Функция y=cos(x) принимает:

Значение, равное 0, при х = ;

Наибольшее значение, равное 1, при х = ;

Наименьшее значение, равное -1, при х = ;

Положительные значения на интервале () и на интервалах, получаемых сдвигом этого интервала на ;

Отрицательные значения на интервале ( ; ) и на интервалах, получаемых сдвигом этого интервала на ;

6) Функция y=cos(x):

- возрастает на отрезке [ ;2 ], и на отрезках, получаемых сдвигом этого отрезка на ;

Убывает на отрезке , и на отрезках, получаемых сдвигом этого отрезка на ;

Графики функций y=cos(x) и y= sin (x)

8. Перечислите основные свойства функции y= tg x:

1) Область определения этой функции - множество всех действительных чисел, кроме .

Цель: обобщить и систематизировать знания учащихся по теме “Периодичность функций”; формировать навыки применения свойств периодической функции, нахождения наименьшего положительного периода функции, построения графиков периодических функций; содействовать повышению интереса к изучению математики; воспитывать наблюдательность, аккуратность.

Оборудование: компьютер, мультимедийный проектор, карточки с заданиями, слайды, часы, таблицы орнаментов, элементы народного промысла

“Математика – это то, посредством чего люди управляют природой и собой”
А.Н. Колмогоров

Ход урока

I. Организационный этап.

Проверка готовности учащихся к уроку. Сообщение темы и задач урока.

II. Проверка домашнего задания.

Домашнее задание проверяем по образцам, наиболее сложные моменты обсуждаем.

III. Обобщение и систематизация знаний.

1. Устная фронтальная работа.

Вопросы теории.

1) Сформируйте определение периода функции
2) Назовите наименьший положительный период функций y=sin(x), y=cos(x)
3). Назовите наименьший положительный период функций y=tg(x), y=ctg(x)
4) Докажите с помощью круга верность соотношений:

y=sin(x) = sin(x+360º)
y=cos(x) = cos(x+360º)
y=tg(x) = tg(x+180º)
y=ctg(x) = ctg(x+180º)

tg(x+π n)=tgx, n € Z
ctg(x+π n)=ctgx, n € Z

sin(x+2π n)=sinx, n € Z
cos(x+2π n)=cosx, n € Z

5) Как построить график периодической функции?

Устные упражнения.

1) Доказать следующие соотношения

a) sin(740º ) = sin(20º )
b) cos(54º ) = cos(-1026º)
c) sin(-1000º) = sin(80º )

2. Доказать, что угол в 540º является одним из периодов функции y= cos(2x)

3. Доказать, что угол в 360º является одним из периодов функции y=tg(x)

4. Данные выражения преобразовать так, чтобы входящие в них углы по абсолютной величине не превышали 90º .

a) tg375º
b) ctg530º
c) sin1268º
d) cos(-7363º)

5. Где вы встречались со словами ПЕРИОД, ПЕРИОДИЧНОСТЬ?

Ответы учащихся: Период в музыке – построение, в котором изложено более или менее завершенная музыкальная мысль. Геологический период – часть эры и разделяется на эпохи с периодом от 35 до 90 млн. лет.

Период полураспада радиоактивного вещества. Периодическая дробь. Периодическая печать – печатные издания, появляющиеся в строго определенные сроки. Периодическая система Менделеева.

6. На рисунках изображены части графиков периодических функций. Определите период функции. Определить период функции.

Ответ : Т=2; Т=2; Т=4; Т=8.

7. Где в жизни вы встречались с построением повторяющихся элементов?

Ответ учащихся: Элементы орнаментов, народное творчество.

IV. Коллективное решение задач.

(Решение задач на слайдах.)

Рассмотрим один из способов исследования функции на периодичность.

При этом способе обходятся трудности, связанные с доказательством того, что тот или иной период является наименьшим, а также отпадает необходимость касаться вопросов об арифметических действиях над периодическими функциями и о периодичности сложной функции. Рассуждение опирается лишь на определение периодической функции и на такой факт: если Т – период функции, то и nT(n?0) – ее период.

Задача 1. Найдите наименьший положительный период функции f(x)=1+3{x+q>5}

Решение: Предположим, что Т-период данной функции. Тогда f(x+T)=f(x) для всех x € D(f), т.е.

1+3{x+T+0,25}=1+3{x+0,25}
{x+T+0,25}={x+0.25}

Положим x=-0,25 получим

{T}=0 <=> T=n, n € Z

Мы получили, что все периоды рассматриваемой функции (если они существуют) находятся среди целых чисел. Выберем среди этих чисел наименьшее положительное число. Это 1 . Проверим, не будет ли оно и на самом деле периодом 1 .

f(x+1) =3{x+1+0,25}+1

Так как {T+1}={T} при любом Т, то f(x+1)=3{(x+0.25)+1}+1=3{x+0,25}+1=f(x), т.е. 1 – период f. Так как 1 – наименьшее из всех целых положительных чисел, то T=1.

Задача 2. Показать, что функция f(x)=cos 2 (x) периодическая и найти её основной период.

Задача 3. Найдите основной период функции

f(x)=sin(1,5x)+5cos(0,75x)

Допустим Т-период функции, тогда для любого х справедливо соотношение

sin1,5(x+T)+5cos0,75(x+T)=sin(1,5x)+5cos(0,75x)

Если х=0, то

sin(1,5T)+5cos(0,75T)=sin0+5cos0

sin(1,5T)+5cos(0,75T)=5

Если х=-Т, то

sin0+5cos0=sin(-1,5Т)+5cos0,75(-Т)

5= – sin(1,5Т)+5cos(0,75Т)

Сложив, получим:

10cos(0,75Т)=10

2π n, n € Z

Выберем из всех “подозрительных” на период чисел наименьшее положительное и проверим, является ли оно периодом для f. Это число

f(x+)=sin(1,5x+4π )+5cos(0,75x+2π )= sin(1,5x)+5cos(0,75x)=f(x)

Значит – основной период функции f.

Задача 4. Проверим является ли периодической функция f(x)=sin(x)

Пусть Т – период функции f. Тогда для любого х

sin|x+Т|=sin|x|

Если х=0, то sin|Т|=sin0, sin|Т|=0 Т=π n, n € Z.

Предположим. Что при некотором n число π n является периодом

рассматриваемой функции π n>0. Тогда sin|π n+x|=sin|x|

Отсюда вытекает, что n должно быть одновременно и четным и нечетным числом, а это невозможно. Поэтому данная функция не является периодической.

Задача 5. Проверить, является ли периодической функция

f(x)=

Пусть Т – период f, тогда

, отсюда sinT=0, Т=π n, n € Z. Допустим, что при некотором n число π n действительно является периодом данной функции. Тогда и число 2π n будет периодом

Так как числители равны, то равны и их знаменатели, поэтому

Значит, функция f не периодическая.

Работа в группах.

Задания для группы 1.

Задания для группы 2.

Проверьте является ли функция f периодической и найдите ее основной период (если существует).

f(x)=cos(2x)+2sin(2x)

Задания для группы 3.

По окончании работы группы презентуют свои решения.

VI. Подведение итогов урока.

Рефлексия.

Учитель выдаёт учащимся карточки с рисунками и предлагает закрасить часть первого рисунка в соответствии с тем, в каком объёме, как им кажется, они овладели способами исследования функции на периодичность, а в части второго рисунка – в соответствии со своим вкладом в работу на уроке.

VII. Домашнее задание

1). Проверьте, является ли функция f периодической и найдите её основной период (если он существует)

b). f(x)=x 2 -2x+4

c). f(x)=2tg(3x+5)

2). Функция y=f(x) имеет период Т=2 и f(x)=x 2 +2x при х € [-2; 0]. Найдите значение выражения -2f(-3)-4f(3,5)

Литература/

1. Мордкович А.Г. Алгебра и начала анализа с углубленным изучением.
2. Математика. Подготовка к ЕГЭ. Под ред. Лысенко Ф.Ф., Кулабухова С.Ю.
3. Шереметьева Т.Г. , Тарасова Е.А. Алгебра и начала анализа для 10-11 классов.

Часто при изучении явлений природы, химических и физических свойств различных веществ, а также при решении сложных технических задач приходится сталкиваться с процессами, характерной чертой которых является периодичность, то есть тенденция к повторению через некоторый промежуток времени. Для описания и графического изображения такой цикличности в науке существует функция особого вида - периодическая функция.

Самый простой и всем понятный пример - обращение нашей планеты вокруг Солнца, при котором все время меняющееся между ними расстояние подчиняется годовым циклам. Точно так же возвращается на свое место, совершив полный оборот, лопасть турбины. Все подобные процессы можно описать такой математической величиной, как периодическая функция. По большому счету, весь наш мир имеет цикличный характер. А значит, и периодическая функция занимает немаловажное место в системе человеческих координат.

Потребность математической науки в топологии, и точных геометрических вычислениях привела к появлению в девятнадцатом веке новой категории функций с необычными свойствами. Ими стали периодические функции, принимающие тождественные значения в определенных точках в результате сложных преобразований. Сейчас они применяются во многих разделах математики и других наук. Например, при изучении различных колебательных эффектов в волновой физике.

В различных математических учебниках даются разные определения периодической функции. Однако независимо от этих расхождений в формулировках, все они эквивалентны, так как описывают они и те же Наиболее простым и понятным может быть следующее определение. Функции, числовые показатели которых не подвергаются изменениям, если прибавить к их аргументу некоторое число, отличное от нуля, так называемый период функции, обозначаемый литерой Т, называются периодическими. Что все это значит на практике?

Например, простая функция вида: y = f(x) станет периодической в том случае, если Х имеет определенное значение периода (Т). Из данного определения следует, что если числовое значение функции, имеющей период (Т), определено в одной из точек (х), то ее значение также становится известным в точках х + Т, х - Т. Важным моментом здесь является то, что при Т равном нулю функция превращается в тождество. Периодическая функция может обладать бесконечным числом различных периодов. В основной массе случаев среди положительных значений Т существует период с наименьшим числовым показателем. Его называют основным периодом. А все остальные значения Т всегда ему кратны. Это еще одно интересное и очень важное для различных областей науки свойство.

График периодической функции обладает тоже несколькими особенностями. Например, если Т является основным периодом выражения: y = f(x), то при построении графика данной функции достаточно всего лишь построить ветвь на одном из промежутков длины периода, а затем перенести ее по оси х на следующие значения: ±Т, ±2Т, ±3Т и так далее. В заключение следует отметить, что не у всякой периодической функции есть основной период. Классическим примером этого служит функция немецкого математика Дирихле следующего вида: y = d(x).

Число T, что для любого x F(x + T) = F(x). Это число T и называется периодом функции.

Периодов может быть и несколько. Например, функция F = const для любых значений аргумента принимает одно и то же значение, а потому любое число может считаться ее периодом.

Обычно интересует наименьший не равный нулю период функции. Его для краткости и называют просто периодом.

Классический пример периодических функций - тригонометрические: синус, косинус и тангенс. Их период одинаков и равен 2π, то есть sin(x) = sin(x + 2π) = sin(x + 4π) и так далее. Однако, разумеется, тригонометрические функции - не единственные периодические.

Относительно простых, базовых функций единственный способ установить их периодичность или непериодичность - вычисления. Но для сложных функций уже есть несколько простых правил.

Если F(x) - с периодом T, и для нее определена производная, то эта производная f(x) = F′(x) - тоже периодическая функция с периодом T. Ведь значение производной в точке x равно тангенсу угла касательной графика ее первообразной в этой точке к оси абсцисс, а поскольку периодически повторяется, то должна повторяться . Например, производная от функции sin(x) равна cos(x), и она периодична. Беря производную от cos(x), вы получите –sin(x). Периодичность сохраняется неизменно.

Однако обратное не всегда верно. Так, функция f(x) = const периодическая, а ее первообразная F(x) = const*x + C - нет.

Если F(x) - периодическая функция с периодом T, то G(x) = a*F(kx + b), где a, b, и k - константы и k не равно нулю - тоже периодическая функция, и ее период равен T/k. Например sin(2x) - периодическая функция, и ее период равен π. Наглядно это можно представить так: умножая x на какое-нибудь число, вы как бы сжимаете функции по горизонтали именно в столько раз

Если F1(x) и F2(x) - периодические функции, и их периоды равны T1 и T2 соответственно, то сумма этих функций тоже может быть периодической. Однако ее период не будет простой суммой периодов T1 и T2. Если результат деления T1/T2 - рациональное число, то сумма функций периодична, и ее период равен наименьшему общему кратному (НОК) периодов T1 и T2. Например, если период первой функции равен 12, а период второй - 15, то период их суммы будет равен НОК (12, 15) = 60.

Наглядно это можно представить так: функции идут с разной «шириной шага», но если отношение их ширин рационально, то рано или (а точнее, именно через НОК шагов), они снова сравняются, и их сумма начнет новый период.

Однако если соотношение периодов , то суммарная функция не будет периодической вовсе. Например, пусть F1(x) = x mod 2 (остаток от деления x на 2), а F2(x) = sin(x). T1 здесь будет равен 2, а T2 равен 2π. Соотношение периодов равняется π - иррациональному числу. Следовательно, функция sin(x) + x mod 2 не является периодической.

Источники:

• Теоретические сведения о функциях

Многие математические функции имеют одну особенность, облегчающую их построение, - это периодичность , то есть повторяемость графика на координатной сетке через равные промежутки.

Инструкция

Самыми известными периодическими функциями математики синусоида и косинусоида. Эти функции имеют волнообразный и основной период, равный 2П. Также частным случаем периодической функции является f(x)=const. На позицию х подходит любое число, основного периода данная функция не имеет, так как представляет собой прямую.

Вообще функция является периодической, если существует целое число N, которое от нуля и удовлетворяет правилу f(x)=f(x+N), таким образом обеспечивая повторяемость. Период функции - это и есть наименьшее число N, но не ноль. То есть, например, функция sin x равна функции sin (x+2ПN), где N=±1, ±2 и т.д.

Иногда при функции может