作者 | 劉洋洲
來源 | 轉自知乎專欄《萬物皆數也》,“數學英才”獲授權轉載,在此感謝!
問:周期函數的和函數還是周期函數嗎?
例如對于函數:
-
當是有理數時,設,容易驗證是其周期;
-
當是無理數時,還存在周期嗎?
-
設是周期函數,正周期分别為,的周期性呢?
圖1:大緻的趨勢呈周期性,但細看之下又不盡相同。
我們尤其對于是連續函數的情形感興趣。
連續性連續性之于微積分猶如基石一般。劉慈欣在科幻小說《三體》中對于“水滴”(三體文明制造的宇宙探測器)的描寫我認為是對連續性很生動的體現:
探測器的大小與預想的差不多,長三點五米,丁儀看到它時,産生了與其他人一樣的印象:一滴水銀。探測器呈完美的水滴形狀,頭部渾圓,尾部很尖,表面是極其光滑的全反射鏡面,銀河系在它的表面映成一片流暢的光紋,使得這滴水銀看上去純潔而唯美。它的液滴外形是那麼栩栩如生,以至于觀察者有時真以為它就是液态的,根本不可能有内部機械結構。
……一千萬倍!在這個放大倍數下,已經可以看到大分子了,但屏幕上顯示的仍是光滑鏡面,看不到一點兒粗糙的迹象,其光潔度與周圍沒有被放大的表面沒什麼區别。
連續性就像使用拿顯微鏡不斷擴大倍數檢驗水滴表面的過程:
定義(連續性)
設函數. 我們稱函數在處連續,若滿足以下性質:對任意,存在,若,則 所謂連續函數,是指在定義域的每一點都連續。
就好像是人類對水滴表面緊密程度的預期,而則是顯微鏡所需要達到的微觀尺度,真正的連續則是一個永無止境的檢驗過程。而非連續則一定止步于某一步——發現其斷崖。
一個很自然的結論就是——
當函數在處連續,則
即當函數自變量趨于點,則函數值趨于點處的函數值。
常數函數的判定方法設是周期函數,正周期分别為. 注意最小正周期可能不存在,例如Dirichlet函數:
容易驗證任意有理數都是的周期。不過非常值連續函數一定有最小正周期[4]。
首先我們證明一個基本結論,這個結論可以幫助我們通過周期性來判定常數函數。先是一個引理——
引理0若都是的周期,則是的周期。
證略。
反複利用上面的該引理,運用輾轉相除法,可以求出更小的正周期,當時,即兩周期公度,這個過程将在有限步驟結束。
輾轉相除法,就是對給定的兩個數進行帶餘除法,将得到的餘數作為新的除數,原來的除數作為被除數,反複進行以上步驟。通常是用來求兩個整數的最小公倍數。
例如,給定
最後一個非零餘數就是最小公倍數,即
輾轉相除法
### R語言#q與r是整數,q >= rwhile(r != 0){t = q%%rq = rr = t #帶餘除法的餘數}q #此為最終結果
如果這個過程可以無限進行下去,即(非公度),那麼新周期會不斷下降趨于零。這是因為帶餘除法總是滿足餘數比除數小,于是則分兩種情況:
若,于是餘數相較除數下降一半(此餘數将是下一輪帶餘除法的除數);
若,則再次進行輾轉相除時,得到,而,于是仍是對半。
綜上可以判斷,,其極限顯然是零:
定理1若都是連續函數的周期,且兩者周期非公度,則是常數函數。
證:通過上面分析,我們總可以得到充分小的周期反證法。不妨設,若,則構造
根據确界原理(有上界必有上确界)可知其極限存在性,. (否則,我們可以選擇添加更小的來逼近)。于是有
但是這與函數的連續性矛盾:
于是隻能是常數函數。
周期函數的和函數接下來我們去探究函數的周期性。
命題2如果兩者周期之比,則是周期函數。
證:設最簡整數比,即,于是就是的周期。
如果,即兩者之比是一個無理數,那麼我們就可以說是非周期函數嗎?
命題3設是非常數的連續周期函數,如果兩者周期之比,則(以及其倍數)不是的周期。
證:否則,即
這說明有兩個周期,且兩者非公度,則由定理1可知是常數函數,矛盾。同理可以證明也不是 的周期。
定理4設是連續周期函數,如果兩者周期之比,則存在拟周期:,存在常數,滿足
證:我們考慮的拟周期。取有理數列逼近 :
蘊含:, 當時,有
其中. 令(或者),我們稱之為 的拟周期,這是因為
其中
這個定理反應了圖1的現象。
引理5兩周期函數至少一個連續、一個有界,若兩最小正周期不可公度,則兩函數的和不是周期函數。[1]
證:簡述一下證明思路。反證法,假設存在周期:
移項得到
由的構造可知它有兩個不可公度的周期,分别是,利用定理1的技巧,可以證明是常數函數,即
可得
不妨設有界,那麼隻可能,即,這與不可公度相矛盾。
例6是非周期函數,其中是無理數。[2]
利用上面的結論立即可知其成立。事實上這個函數的非周期性證明還有比較初等的方法:反證法。若存在周期,即
移項(這個技巧在剛才的證明已經出現過了),
再利用和差化積公式:
再進行平移變換,
我們令,上式左邊為0,右邊由的無理性則不為0,矛盾。
定理7兩周期函數至少一個連續,且兩函數之積在任何點處非零,若兩最小正周期不可公度,則兩函數的積不是周期函數。[3]
證明思路同定理5。需要構造函數
然後證明這個函數
參考文獻[1] 謝惠民, 沐定夷. 吉米多維奇數學分析習題集學習指引[M]. 高等教育出版社, 2011.
[2] 汪林. 數學分析中的問題和反例[M]. 高等教育出版社, 2015.
[3] 趙顯曾. 數學分析拾遺[M]. 東南大學出版社, 2006.
[4] 裴禮文. 數學分析中的典型問題與方法.第2版[M]. 高等教育出版社, 2006.
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