周期的定义
周期:同一个平移量适用于所有输入
设函数 $y=f(x)$ 的定义域为 $D$。如果存在一个与 $x$ 无关的非零常数 $T$,使得对每个 $x\in D$,都有 $x+T\in D$,并且
那么 $f(x)$ 是周期函数,$T$ 是它的一个周期。这里的“对每个 $x$”不能换成“对某些 $x$”,而且 $T$ 必须始终是同一个常数。要求 $T\ne0$,是为了排除恒有 $f(x+0)=f(x)$ 的无效情形;要求 $x+T$ 仍在定义域内,是为了保证等式两边都有意义。
图象上重复出现的局部形状只能提供候选平移量,不能代替证明。真正的判断依据始终是:把 $x+T$ 代入后,能否对定义域内的每个 $x$ 得到同一个函数值。
一个周期的例子
先找周期,再判断是不是最小的
记 $[x]$ 为不超过实数 $x$ 的最大整数,考虑
对任意整数 $n$,实数与其整数部分同时增加 $n$,所以 $[x+n]=[x]+n$。把这个关系代入原函数,得到
这个等式对每个实数 $x$ 都成立,因此每个非零整数 $n$ 都是 $f$ 的周期;$n=0$ 不满足周期必须非零的条件。特别地,$1$ 是周期,但还要排除比 $1$ 更小的正周期,才能说它是最小正周期。
若 $0<T<1$,那么 $[0]=[T]=0$,于是
候选平移量 $T$ 连 $x=0$ 这一点都不能通过,因此 $0<T<1$ 时没有周期。结合 $1$ 已经是周期,可知这个函数的最小正周期是 $1$。
$f(x)=x-[x]$
最小正周期
周期不止一个,也不一定有最小正周期
“周期”指任意一个满足定义的非零平移量;“最小正周期”则是所有正周期中最小的那个。上例中 $1,2,3,\ldots$ 都是周期,最小正周期只有 $1$。所以,找到一个周期并不等于找到了最小正周期。
最小正周期还可能不存在。例如常值函数 $f(x)=c$ 的定义域为 $\mathbb R$ 时,对任意非零实数 $T$ 都有
因此每个正实数都是它的周期。可是任给一个正周期 $T$,$\frac{T}{2}$ 还是更小的正周期,所以正周期中没有最小者。这个函数是周期函数,却没有最小正周期。
判断顺序
先验证重复,再判断最小
判断一个函数是否具有周期性,先选定非零候选量 $T$,检查定义域能否在平移后保持有效,再直接化简 $f(x+T)$,确认等式对每个 $x$ 成立。若还要判断最小正周期,必须先证明候选量 $T_0>0$ 是周期,再排除所有 $0<T<T_0$ 的可能。
周期性的核心不是图象“看起来又出现一次”,而是函数在同一个非零平移下对整个定义域保持不变;最小正周期则是在这种全局不变性已经成立之后,对所有正周期继续比较得到的最小者。