首页
/
每日頭條
/
圖文
/
周期函數的原函數也是周期函數嗎
周期函數的原函數也是周期函數嗎
更新时间:2026-06-06 03:16:57

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?

周期函數的原函數也是周期函數嗎(周期函數的和還是周期函數嗎)1

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。

周期函數的原函數也是周期函數嗎(周期函數的和還是周期函數嗎)2

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。

周期函數的原函數也是周期函數嗎(周期函數的和還是周期函數嗎)3

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.

數學英才

中學生英才計劃

數學學科官方公衆号

推送數學微慕課和學習資料

,
Comments
Welcome to tft每日頭條 comments! Please keep conversations courteous and on-topic. To fosterproductive and respectful conversations, you may see comments from our Community Managers.
Sign up to post
Sort by
Show More Comments
推荐阅读
實時監測運動心率
實時監測運動心率
澎湃新聞記者馬作宇這個夏天,一起又一起跑步暈倒甚至猝死的意外,提醒着跑圈裡的每一個人——夏天堅持跑步訓練,必須格外重視自己的身體情況。引發這些意外的表面原因有很多,包括熱射病、中暑、疲勞和過度訓練,但究其原因,都是因為身體的心肺機能已經無法...
2026-06-06
申請加入志願者的申請書
申請加入志願者的申請書
這個十月,面對突如其來的疫情,無數志願者默默奔赴一線,彙聚點滴光熱照亮城市的抗疫之路。申請“甘肅藍天救援隊的志願者,你們好,我是一名初三學生,是一名共青團員,目前居住在蘭州,我想加入藍天救援隊,去幫助需要幫助的人……雖然年齡小,但我力氣大,...
2026-06-06
神雕俠侶劉德華版83版演員對比
神雕俠侶劉德華版83版演員對比
神雕俠侶劉德華版83版演員對比?1990年,香港無線電視用觀衆投票的方式評選80年代十大經典劇集,結果讓内地觀衆大跌眼鏡,深受内地觀衆追捧的83版《射雕英雄傳》榜上無名,而在内地影響力并不很大的83版《神雕俠侶》卻高居第四,香港和内地追劇口...
2026-06-06
其實天氣還沒變
其實天氣還沒變
昨天高溫短暫中斷今天高溫:我又回來啦!主要集中在北部地區晴熱高溫是本周我省天氣的主基調影響範圍廣、“待機”時間長*01——高溫影響範圍廣6月1日,中東部最高氣溫達35度以上,局部達37度以上2日到3日,全省大部縣市最高氣溫達35度以上,北中...
2026-06-06
地理信息産業在數字經濟中的作用
地理信息産業在數字經濟中的作用
來源:海外網運用地理信息技術構建的城市立體模拟圖。超圖軟件供圖在二〇二一地理信息産業成果展上亮相的測繪裝備吸引了很多參觀者的目光。本報記者孫亞慧攝近日,“2021中國地理信息産業大會”在江城武漢召開,全景展現了中國近年來在地理信息技術領域和...
2026-06-06
Copyright 2023-2026 - www.tftnews.com All Rights Reserved