抽象函数的对称性验证

前言

抽象函数的性质往往不太好想,所以举个例子,加以验证。作为学生,不需要知道那么严谨的逻辑证明,只要会用结论就行了。

图像说明

✍️ 轴对称函数所举的例子:\(f(x)=\cfrac{1}{4}(x-2)^2\);具体函数\(\Rightarrow\)抽象函数;

【结论】若函数\(f(x)\)满足条件\(f(x)=f(4-x)\)

则函数是轴对称图形,其对称轴是\(x=\cfrac{(x)+(4-x)}{2}\)\(=2\)

✍️ 中心对称函数所举的例子:\(g(x)=(x-1)^3\);具体函数\(\Rightarrow\)抽象函数;

【结论】若函数\(g(x)\)满足条件\(g(x)+g(2-x)=0\)

则函数是中心对称图形,其对称中心是\((x_0,y_0)\)

具体坐标算法为\(x_0=\cfrac{(x)+(2-x)}{2}=1\)\(y_0=\cfrac{y_1+y_2}{2}\)\(=\cfrac{g(x)+g(2-x)}{2}\)\(=\cfrac{0}{2}=0\)

逻辑证明

函数\(f(x)\)的对称轴为直线\(x=2\)的充要条件是函数\(f(x)\)满足\(f(x)=f(4-x)\)

充分性:函数\(f(x)\)满足\(f(x)=f(4-x)\),取其上任意一点\((x_0,y_0)\)

则有\(y_0=f(x_0)\),则有\(f(x_0)=f(4-x_0)=y_0\)

说明点\((x_0,y_0)\)和点\((4-x_0,y_0)\)都在函数图像上,

而这两个点关于直线\(x=\cfrac{x_0+(4-x_0)}{2}=2\)对称,

又由于点的任意性刚才证明了那两个点的对称,又由于我们取的点是任意点,没有什么特殊性,也称为点具有任意性,仿照刚才的证明也能说明其他的点也具有对称性,所以函数图像具有对称性; 可知,函数关于直线\(x=2\)对称;

必要性:函数\(f(x)\)的对称轴为直线\(x=2\)

取其上任意一点\((x_0,y_0)\),则有\(y_0=f(x_0)\)

而点\((x_0,y_0)\)关于直线\(x=2\)的对称点是\((4-x_0,y_0)\)

故有\(y_0=f(x_0)=f(4-x_0)\),即\(f(x_0)=f(4-x_0)\)

又由于点的任意性可知,函数必然满足\(f(x)=f(4-x)\)。[证毕]

✍️ 使用方法:若函数\(f(x)\)满足\(f(x)\)\(=\)\(f(2-x)\),则是关于直线\(x\)\(=\)\(\cfrac{x+(2-x)}{2}\)\(=\)\(1\) 对称的;自然若函数\(f(x)\)满足\(f(1-x)\)\(=\)\(f(1+x)\),则也是关于直线\(x\)\(=\)\(\cfrac{(1-x)+(1+x)}{2}\)\(=\)\(1\) 对称的;其实表达式\(f(x)\)\(=\)\(f(2-x)\)\(f(1-x)\)\(=\)\(f(1+x)\)刻画的是同一回事,用\(1-x\)替换\(f(x)\)\(=\)\(f(2-x)\)中的\(x\),就能得到\(f(1-x)\)\(=\)\(f(1+x)\)。用此理论,我们还可以主动刻画函数的对称性,其一用图像刻画,其二用数学语言表达为\(f(0.5-x)\)\(=\)\(f(1.5+x)\)

函数\(f(x)\)的对称中心是\((1,1)\)的充要条件是函数\(f(x)\)满足\(f(x)+f(2-x)=2\)

充分性:函数\(f(x)\)满足\(f(x)+f(2-x)=2\),取其上任意一点\((x_0,y_0)\),则必有\(y_0=f(x_0)\)

又由于点\((x_0,y_0)\)关于点\((1,1)\)的对称点为\((2-x_0,2-y_0)\)

\(f(x_0)+f(2-x_0)=2\),得到\(y_0+f(2-x_0)=2\)

\(2-y_0=f(2-x_0)\),说明点\((2-x_0,2-y_0)\)也在函数图像上,

又由于点的任意性可知,函数图像上任意点关于点\((1,1)\)的对称点也在函数图像上;

必要性:函数\(f(x)\)的对称中心为点\((1,1)\)

取其上任意一点\((x_0,y_0)\),其在图像上,则有\(y_0=f(x_0)\)

而其对称点\((2-x_0,2-y_0)\)也在图像上,故有\(2-y_0=f(2-x_0)\)

\(2-f(x_0)=f(2-x_0)\),即\(f(x_0)+f(2-x_0)=2\)

又由于点的任意性可知,函数图像上任意点都满足\(f(x)+f(2-x)=2\);[证毕]

✍️ 使用方法:若函数\(f(x)\)满足\(f(x)\)\(+\)\(f(2-x)\)\(=\)\(4\),则其关于点成中心对称,对称中心的坐标\((x_0,y_0)\)这样求解,\(x_0\)\(=\)\(\cfrac{x+(2-x)}{2}\)\(=\)\(1\)\(y_0\)\(=\)\(\cfrac{f(x)+(2-x)}{2}\)\(=\)\(2\),即对称中心为\((1,2)\);自然若函数\(f(x)\)满足\(f(-x)\)\(+\)\(f(2+x)\)\(=\)\(2\),则也是关于点\((1,1)\)对称的,同理我们也可以这样刻画一个函数关于点\((1,1)\)对称。我们就说函数满足条件 \(f(0.5-x)\)\(+\)\(f(1.5+x)\)\(=\)\(2\) 或者\(f(3-x)\)\(+\)\(f(-1+x)\)\(=\)\(2\)

[引申]:函数 \(f(x)\) 的对称中心是 \((a,b)\) 的充要条件是函数\(f(x)\)满足\(f(x)+f(a-x)=b\)

典例剖析

所举的函数例子虽说不是抽象函数,但对称性的验证同样适用。

【2017全国卷1文科第9题高考真题】已知函数\(f(x)=lnx+ln(2-x)\),则【】

$A.$在$(0,2)$上单调递增
$B.$在$(0,2)$上单调递减
$C.y=f(x)$的图像关于直线$x=1$对称
$D.y=f(x)$的图像关于点$(1,0)$对称

分析:由于函数\(f(x)\)是复合函数,定义域要使\(x>0,2-x>0\),即定义域是\((0,2)\)

\(f(x)=ln[x(2-x)]=ln[-(x-1)^2+1]\)

则由复合函数的单调性法则可知,在\((0,1)\)上单增,

\((1,2)\)上单减,故排除\(A\)\(B\)

若函数\(y=f(x)\)关于点\((1,0)\)对称,则函数\(f(x)\)必然满足关系:\(f(x)+f(2-x)=0\)

若函数\(y=f(x)\)关于直线\(x=1\)对称,则函数\(f(x)\)必然满足关系:\(f(x)=f(2-x)\)

接下来我们用上述的结论来验证,由于\(f(x)=lnx+ln(2-x)\)

\(f(2-x)=ln(2-x)+ln(2-(2-x))=ln(2-x)+lnx\),即满足\(f(x)=f(2-x)\)

故函数\(y=f(x)\)的图像关于直线\(x=1\)对称,选\(C\)

再来验证\(D\),发现\(f(x)+f(2-x)=2[lnx+ln(2-x)]\neq 0\)\(D\)选项不满足。故选\(C\)

【2018高三文科训练题】已知函数\(f(x)=lg(4x-x^2)\),则【】

$A.f(x)$在$(0,4)$上单调递增
$B.f(x)$在$(0,4)$上单调递减
$C.y=f(x)$的图像关于直线$x=2$对称
$D.y=f(x)$的图像关于点$(2,0)$对称

分析:令内函数\(g(x)=4x-x^2>0\),得到定义域\((0,4)\),又\(g(x)=-(x-2)^2+4\)

故内函数在\((0,2]\)单减,在\([2,4)\)单增,外函数只有单调递增,

故复合函数\(f(x)\)\((0,2]\)单减,在\([2,4)\)单增,故排除\(A\)\(B\)

要验证\(C\)选项,只需要验证\(f(x)=f(4-x)\)即可,这是\(y=f(x)\)的图像关于直线\(x=2\)对称的充要条件;

\(f(4-x)=lg[4(4-x)-(4-x)^2]=lg(16-4x-16+8x-x^2)=lg(4x-x^2)=f(x)\),故选\(C\)

若要验证\(D\)选项,只需要利用\(y=f(x)\)的图像关于点\((2,0)\)对称的充要条件,

即验证\(f(x)+f(4-x)=0\)即可。自行验证,不满足。

故本题目选\(C\).

posted @ 2018-10-01 22:38  静雅斋数学  阅读(2751)  评论(1编辑  收藏  举报
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