函数的对称性的常用结论 | 体验篇
前情概要
① 复习回顾,设点的坐标 \(P(a,b)\),则其对称性如下:
点 \(P\) 关于直线 \(x=m\) 的对称点的坐标为 \(Q(2m-a,b)\);
点 \(P\) 关于直线 \(y=n\) 的对称点的坐标为 \(R(a,2b-y)\);
点 \(P\) 关于点 \((m,n)\) 的对称点的坐标为 \(S(2m-a,2n-b)\);
② 涉及函数的轴对称和中心对称,请参阅 轴对称和中心对称
函数关于自身对称注意:下面的这些结论都只涉及到一个函数,而不是两个函数;
1.若函数 \(y\)\(=\)\(f(x)\) 关于原点 \((0,0)\) 对称,则 \(f(-x)\)\(=\)\(-f(x)\) 或 \(f(x)\)\(+\)\(f(-x)\)\(=\)\(0\),反之亦成立;
2.若函数 \(y\)\(=\)\(f(x)\) 关于直线 \(x\)\(=\)\(a\) 对称(当 \(a\)\(=\)\(0\) 时即关于 \(y\) 轴对称),则 \(f(a+x)\)\(=\)\(f(a-x)\) ,反之亦成立;
3.若函数 \(y\)\(=\)\(f(x)\) 满足 \(f(a+x)\)\(=\)\(f(b-x)\),函数 \(y\)\(=\)\(f(x)\) 的图像关于直线 \(x\)\(=\)\(\cfrac{a+b}{2}\) 对称,反之亦成立;
4.若函数 \(y\)\(=\)\(f(x)\) 图像是关于点 \(A(a,b)\) 对称,则充要条件是\(f(x)\)\(+\)\(f(2a-x)\)\(=\)\(2b\)抽象函数的对称性验证。
5.若函数 \(f(x)\) 是偶函数,其图像关于直线 \(x\)\(=\)\(a\) 对称,则\(T\)\(=\)\(2a\)(\(a>0\));[1]
6.若函数 \(f(x)\) 是奇函数,其图像关于直线 \(x=a\) 对称,则\(T\)\(=\)\(4a\)(\(a>0\));[2]
7.若函数 \(f(x)\) 的图像关于两条直线 \(x\)\(=\)\(a\) 和 \(x\)\(=\)\(b\) 对称,则\(T\)\(=\)\(2|a-b|\);[3]
8.若函数 \(f(x)\) 的图像关于点 \(M(a,0)\) 和点 \(N(b,0)\) 对称,则 \(T\)\(=\)\(2|a-b|\);[4]
9.若函数 \(f(x)\) 的图像关于直线 \(x=a\) 和点 \(M(b,0)\) 对称,则\(T\)\(=\)\(4|a-b|\);[5]
两个函数的对称特别提醒:以下结论同时涉及到两个不同的函数,其结论可以用相关点法进行严谨的证明;也可以利用两个函数的图像来粗略的验证。
1.[基础结论,要牢记]\(\quad\)\(y=f(x)\) \(\xrightarrow{关于 x 轴对称}\) \(y=-f(x)\) ;图象验证
证明:以 \(y=f(x)\)[已知解析式] 到 \(y=-f(x)\)[待定解析式] 的证明为例,逆向的证明参照下面自行操作,下同;
用相关点法证明,取待确定解析式上的任意一点 \(P(x_0,y_0)\),其关于 \(x\) 轴[即直线 \(y\)\(=\)\(0\)]的对称点为 \(P'(x_0,-y_0)\),必然在函数 \(y\)\(=\)\(f(x)\) 的图像上,即点 \(P'\) 的坐标满足其解析式,由此得到 \(-y_0\)\(=\)\(f(x_0)\),即 \(y_0\)\(=\)\(-\)\(f(x_0)\),又由于点 \(P\) 的任意性可知,所求解析式为 \(y\)\(=\)\(-\)\(f(x)\),反之亦成立;故
操作方法:关于 \(x\) 轴对称,则 \(x\) 坐标不变,只用 \(-y\) 替换 \(y\) 坐标即可;比如,求 \(y=x^3-\ln x\) 关于 \(x\) 轴对称的函数解析式,我们用 \(-y\) 替换 \(y\) ,整理为 \(-y\)\(=\)\(x^3\)\(-\)\(\ln\)\(x\),即 \(y\)\(=\)\(-\)\(x^3\)\(+\)\(\ln\)\(x\),故 \(y\)\(=\)\(x^3\)\(-\)\(\ln\)\(x\) 关于 \(x\) 轴对称的函数解析式为 \(y\)\(=\)\(-\)\(x^3\)\(+\)\(\ln x\) .
作用:用这样的方法和思路,我们只需要理解和掌握一部分函数的解析式和图象,就能通过对称的方法,得到更多的函数的解析式和图象,有了解析式和图象,我们就能研究更多的函数的性质 .
2.[基础结论,要牢记]\(\quad\)\(y=f(x)\) \(\xrightarrow{关于 y 轴对称}\) \(y=f(-x)\) ; 图象验证
证明:以 \(y=f(x)\)[已知解析式] 到 \(y=f(-x)\)[待定解析式] 的证明为例,逆向的证明参照下面自行操作;
用相关点法证明,取待确定解析式上的任意一点 \(P(x_0,y_0)\),其关于 \(y\) 轴[即直线 \(x\)\(=\)\(0\)]的对称点为 \(P'(-x_0,y_0)\),必然在函数 \(y\)\(=\)\(f(x)\) 的图像上,即点 \(P'\) 的坐标满足其解析式,由此得到 \(y_0\)\(=\)\(f(-x_0)\),又由于点 \(P\) 的任意性可知,可知所求解析式为 \(y\)\(=\)\(-\)\(f(x)\),反之亦成立;故 \(y\)\(=\)\(f(x)\) \(\stackrel{关于y轴对称}{\Longleftrightarrow}\) \(y\)\(=\)\(f(-x)\);
操作方法:关于 \(y\) 轴对称,则 \(y\) 坐标不变,只用 \(-x\) 替换 \(x\) 坐标即可;比如,求 \(y=x^3-\ln x\) 关于 \(y\) 轴对称的函数解析式,我们用 \(-x\) 替换 \(x\) ,整理为 \(y\)\(=\)\((-x)^3\)\(-\)\(\ln\)\((-x)\),即 \(y\)\(=\)\(-\)\(x^3\)\(-\)\(\ln\)\((-x)\),故 \(y\)\(=\)\(x^3\)\(-\)\(\ln\)\(x\) 关于 \(x\) 轴对称的函数解析式为 \(y\)\(=\)\(-\)\(x^3\)\(-\)\(\ln\)\((-x)\) .
3.[基础结论,要牢记]\(\quad\)\(y=f(x)\) \(\xrightarrow{关于原点 (0,0) 对称}\) \(y=-f(-x)\). 图象验证
证明:用相关点法证明,取待确定解析式上的任意一点 \(P(x_0,y_0)\),其关于对称中心 \((0,0)\) [即原点]的对称点为 \(P'(-x_0,-y_0)\),必然在函数 \(y\)\(=\)\(f(x)\) 的图像上,即点 \(P'\) 的坐标满足其解析式,由此得到 \(-y_0\)\(=\)\(f(-x_0)\),即 \(y_0\)\(=\)\(-\)\(f(-x_0)\),又由于点 \(P\) 的任意性可知,可知所求解析式为 \(y\)\(=\)\(-\)\(f(-x)\),反之亦成立;故 \(y\)\(=\)\(f(x)\) \(\stackrel{关于原点 (0,0) 对称}{\Longleftrightarrow}\) \(y\)\(=\)\(-\)\(f(-x)\);
操作方法:关于 \((0,0)\) 原点对称,则 \(x\),\(y\) 坐标都变化,用 \(-x\) 替换 \(x\) 坐标同时用 \(-y\) 替换 \(y\) 坐标即可;比如,求 \(y=x^3-\ln x\) 关于 \((0,0)\) 点对称的函数解析式,我们用 \(-x\) 替换 \(x\) 同时用 \(-y\) 替换 \(y\),整理为 \(-y\)\(=\)\((-x)^3\)\(-\)\(\ln\)\((-x)\),即 \(y\)\(=\)\(x^3\)\(+\)\(\ln\)\((-x)\),故 \(y\)\(=\)\(x^3\)\(-\)\(\ln\)\(x\) 关于 \((0,0)\) 点对称的函数解析式为 \(y\)\(=\)\(x^3\)\(+\)\(\ln\)\((-x)\) .
4.[引申结论,要理解]\(\quad\) \(\quad\)\(y=f(x)\) \(\xrightarrow{关于直线 x=m 对称}\) \(y=f(2m-x)\);
备注:可仿上作严谨的逻辑证明,现简单说明,取待确定解析式上的任意一点 \(P(x,y)\),其关于直线 \(x=m\) 的对称点为 \(P'(2m-x,y)\),点 \(P'\) 满足解析式 \(y\)\(=\)\(f(x)\),即 \(y\)\(=\)\(f(2m-x)\),反之亦成立;故 \(y\)\(=\)\(f(x)\) \(\stackrel{关于 x=m 对称}{\Longleftrightarrow}\) \(y\)\(=\)\(f(2m-x)\)
操作方法:关于直线 \(x=m\) 对称,则 \(y\) 坐标不变,只用 \(2m-x\) 替换 \(x\) 坐标即可;
5.[引申结论,要理解]\(\quad\) \(\quad\)\(y=f(x)\) \(\xrightarrow{关于直线 y=n 对称}\) \(y=2n-f(x)\) ;
备注:可仿上作严谨的逻辑证明,现简单说明,取待确定解析式上的任意一点 \(P(x,y)\),其关于直线 \(y=n\) 的对称点为 \(P'(x,2n-y)\),点 \(P'\) 的坐标满足解析式 \(y\)\(=\)\(f(x)\),即 \(2n-y\)\(=\)\(f(x)\),反之亦成立;故 \(y\)\(=\)\(f(x)\) \(\stackrel{关于 y=n 对称}{\Longleftrightarrow}\) \(y\)\(=\)\(2n\)\(-\)\(f(x)\);
操作方法:关于直线 \(y=n\) 对称,则 \(x\) 坐标不变,只用 \(2n-y\) 替换 \(y\) 坐标即可;
6.[引申结论,要理解]\(\quad\) \(\quad\)\(y=f(x)\) \(\xrightarrow{关于点 (a,b) 对称}\) \(y=2b-f(2a-x)\) ;
备注:可仿上作严谨的逻辑证明,现简单说明,取待确定解析式上的任意一点 \(P(x,y)\),其关于点 \((a,b)\) 的对称点为 \(P'(2a-x,2b-y)\),点 \(P'\) 的坐标满足解析式 \(y\)\(=\)\(f(x)\),即 \(2b-y\)\(=\)\(f(2a-x)\),整理为 \(y\)\(=\)\(2b\)\(-\)\(f(2a-x)\),反之亦成立;故 \(y\)\(=\)\(f(x)\)\(\stackrel{关于点 (a,b) 对称}{\Longleftrightarrow}\) \(y\)\(=\)\(2b\)\(-\)\(f(2a-x)\);
操作方法:关于点 \((a,b)\) 对称,则 \(x\),\(y\) 坐标都变化,用 \(2a-x\) 替换 \(x\) 坐标同时用 \(2b-y\) 替换 \(y\) 坐标即可;
7.[引申结论,要理解]\(\quad\) \(\quad\)\(y=f(x)\) \(\xrightarrow{关于直线 3x+2y-1=0 对称}\)【\(\qquad\)】,考查的频率较小,请仿上自行探索 .
典例剖析
证明:设点\(A(m,n)\)是函数\(y=f(x)\)图像上的任意一点,则有\(n=f(m)\)
易知,点\(A(m,n)\)关于直线\(x=\cfrac{a+b}{2}\)的对称点 \(B(a+b-m,n)\)
由于已知条件恒有\(f(a+x)=f(b-x)\),
令其中的\(x=m-a\),则代入上式可得:\(f(m)=f(b-(m-a))=f(a+b-m)\)
又\(f(m)=n\),\(f(m)=f(a+b-m)\),∴\(n=f(a+b-m)\),即点\(B(a+b-m, n)\)也在函数\(y=f(x)\)的图像上。
由点\(A(m,n)\)的任意性可知,函数\(y=f(x)\)的图像关于直线\(x=\cfrac{a+b}{2}\)对称。
解:这两个函数图象关于直线\(x=\cfrac{b-a}{2}\)对称。
证明:设点\(P(x,y)\)是函数\(y=f(x+a)\)图像上的任意一点,则有\(y=f(x+a)\)
又点\(P(x,y)\)关于直线\(x=\cfrac{b-a}{2}\)的对称点\(Q(b-a-x, y)\)
∴\(y=f(x+a)=f[b-(b-a-x)]\),即有\(f[b-(b-a-x)]=y\)
∴点\(Q(b-a-x,y)\)在图象\(y=f(b-x)\)上。
即函数\(y=f(x+a)\)图像上的任意一点\(P(x,y)\),
关于直线\(x=\cfrac{b-a}{2}\)的对称点\(Q(b-a-x,y)\)均在函数\(y=f(b-x)\)图像上。
故这两个函数图象关于直线\(x=\cfrac{b-a}{2}\)对称。
【解后反思】如何降低思维的难度呢,我们可以将其具象化,比如令 \(f(x)=\sqrt{x}\) [这个函数的图像你必须要会画,教材上要求会画的幂函数之一],再令 \(f(x+a)\) 为 \(f(x+4)\),再令 \(f(b-x)\) 为 \(f(3-x)\),
做出这几个函数的图像,就很容易得到 \(f(x+4)\) 与 \(f(3-x)\) 的对称轴为 \(x=-1\),所以由此抽象得到,函数 \(y=f(x+a)\) 的图像与函数 \(y=f(b-x)\) 的图像关于直线 \(x=\cfrac{b-a}{2}\) 对称 .
解:这两个函数图象关于直线\(x=\cfrac{a+b}{2}\)对称。
证明:设点\(P(x,y)\)是函数\(y=f(x-a)\)图像上的任意一点,则有\(y=f(x-a)\)
又点\(P(x,y)\)关于直线\(x=\cfrac{a+b}{2}\)的对称点\(Q(b+a-x,y)\)
∴\(y=f(x-a)=f[b-(b+a-x)]\),即有\(f[b-(b+a-x)]=y\)
∴点\(Q(b+a-x,y)\)在函数\(y=f(b-x)\)图像上。
即函数\(y=f(x-a)\)图像上的任意一点\(P(x,y)\),
关于直线\(x=\cfrac{b+a}{2}\)的对称点\(Q(b+a-x,y)\)均在函数\(y=f(b-x)\)图像上。
故这两个图象关于直线\(x=\cfrac{a+b}{2}\)对称。
反思总结:其实例3可以直接用例2的结论。
这样用:对称轴为\(x=\cfrac{b-(-a)}{2}=\cfrac{b+a}{2}\)。
法1:用具体函数做例子,将抽象问题具体化,比如\(f(x)=x^2\),
则\(f(3-x)=(3-x)^2\),\(f(1+x)=(1+x)^2\),做出这两个图像可知,
函数\(y=f(3-x)\)与\(y=f(1+x)\)关于直线\(x=1\)对称,
注意用\(\cfrac{(3-x)+(1+x)}{2}=2\)的算法是错误的。
法2:利用图像变换做抽象说明,以函数\(f(x)\)和\(f(-x)\)为模板来解释,
函数\(f(x)\)和\(f(-x)\)关于\(y\)轴对称,将\(f(x)\)向左1个单位得到\(f(x+1)\),

将\(f(-x)\)向右3个单位得到\(f(-(x-3))=f(3-x)\),
故此时的两个函数\(f(x+1)\)与\(f(3-x)\)的对称轴是\(x=\cfrac{-1+3}{2}=1\)。
法1:仿上法1,得到\(b=-1\)。

法2:将\(f(x)\)向左3个单位,得到\(f(3+x)\),将\(f(-x)\)向右1个单位,
得到\(f(-(x-1))=f(1-x)\),故函数\(y=f(3+x)\)与\(y=f(1-x)\)关于直线\(x=-1\)对称。
反思总结:
①、这种变换为什么和以前的变换方法规律不一样了?
若函数\(y=f(x)\)满足\(f(a+x)=f(b-x)\),函数\(y=f(x)\)的图像关于直线\(x=\cfrac{a+b}{2}\)对称,
此时只涉及一个函数,这个函数是轴对称图形,当你做平移变换时,整体跟着动的;
而现在涉及到两个函数,当你对其中的一个做变换时,那么另外一个应该向反方向平移。
②、怎么理解?
【分析】:如果函数\(f(x)\)的图像和函数\(g(x)\)的图像关于原点对称,
则函数\(f(x)\)上的任意一点\((x_0,y_0)\)关于原点的对称点\((-x_0,-y_0)\),必然在函数\(g(x)\)的图像上。
解答:先化简函数\(g(x)=cos(2x-\cfrac{3\pi}{4})=cos(2x-\cfrac{\pi}{4}-\cfrac{\pi}{2})\),
\(g(x)=cos[\cfrac{\pi}{2}-(2x-\cfrac{\pi}{4})]=sin(2x-\cfrac{\pi}{4})\),
\(f(x)=sin(2x+\cfrac{\pi}{4})\)
在函数\(f(x)\)图像上任意取一点\(P(x_0,y_0)\),
则其关于原点的对称点为\(P'(-x_0,-y_0)\),
将点\(P(x_0,y_0)\)代入函数\(f(x)\),得到\(y_0=sin(2x_0+\cfrac{\pi}{4})\)
则\(-y_0=-sin(2x_0+\cfrac{\pi}{4})\),即\(-y_0=sin(2\cdot(-x_0)-\cfrac{\pi}{4})\),
即点\(P'(-x_0,-y_0)\)在函数\(g(x)=sin(2x-\cfrac{\pi}{4})\)上,
也即点\(P'(-x_0,-y_0)\)在函数\(g(x)=cos(2x-\cfrac{3\pi}{4})\)上,
又由点\(P(x_0,y_0)\)的任意性可知,
函数\(f(x)\)和函数\(g(x)\)的图像必然关于原点对称,
故为真命题。
法1:采用特殊化策略,将抽象问题具体化,令 \(f(x)=2^x\) 在列举具体函数时,尽可能的在基本初等函数范畴内列举,方便操作;同时注意尽可能的列举不要太特殊的函数,比如有对称性的,或者有周期性的函数,这样我们容易出现不必要的偏差,导致出错; ,则 \(f(x+1)=2^{x+1}\), \(f(-x-1)=2^{-x-1}\),结合函数图像的变换,可知选 \(C\) .
法2:抽象化思考,由于函数 \(f(x)\) 与 \(f(-x)\) 的图像关于直线 \(x=0\) 对称,将 \(f(x)\) 向左平移 \(1\) 个单位[用 \(x+1\) 替换 \(x\),即实现图像向左平移 \(1\) 个单位]得到 \(f(x+1)\);将 \(f(-x)\) 向左平移 \(1\) 个单位[用 \(x+1\) 替换 单独的\(x\)而不是 \(-x\),即实现图像向左平移 \(1\) 个单位]得到 \(f(-(x+1))\)\(=\)\(f(-x-1)\),这样的平移结果使得 \(f(x+1)\) 与 \(f(-x-1)\) 关于直线 \(x=-1\) 对称[将原来关于直线 \(x=0\) 对称平移后得到关于直线 \(x=-1\) 对称],可知选 \(C\) 。
分析:\(f(x)\) 是定义在 \(R\) 上的奇函数,且当 \(x\geqslant 0\) 时,\(f(x)=x(x-4)\),
当\(x<0\)时,\(-x>0\),则\(f(-x)=-x(-x-4)=-f(x)\),
即\(x<0\)时,\(f(x)=-x(x+4)\),则有\(f(x)=\left\{\begin{array}{l}{x(x-4),x\geqslant 0}\\{-x(x+4),x<0}\end{array}\right.\)
作出\(y=f(x)\)和\(y=f(2-x)\)的图象如图,\(y=f(2-x)\)的图象与\(y=f(x)\)的图象关于\(x=1\)对称,
作出\(y=f(2-x)\)的图象,由图象知\(y=f(2-x)\)与\(y=f(x)\)的图象有三个交点,
即\(f(x)=f(2-x)\)有三个根,其中一个根为\(1\),另外两个根\(a\),\(b\) 关于\(x=1\)对称,
即 \(a+b=2\),则所有根之和为\(a+b+1=2+1=3\),故选:\(C\).
证明:由函数\(f(x)\)是偶函数,得到\(f(-x)=f(x)①\);
又函数图像关于直线\(x=a\)对称,得到\(f(x)=f(2a-x)②\),
由①②得到,\(f(2a-x)=f(-x)\),用\(-x\)替换\(x\),
即\(f(x+2a)=f(x)\),故\(T=2a(a>0)\); ↩︎证明:由函数\(f(x)\)是奇函数,得到\(-f(-x)=f(x)①\);
又函数图像关于直线\(x=a\)对称,得到\(f(x)=f(2a-x)②\),
由①②得到,\(f(2a-x)=-f(-x)\),用\(-x\)替换\(x\),
即\(f(x+2a)=-f(x)\),故\(T=4a(a>0)\); ↩︎证明:由函数\(f(x)\)的图像关于直线\(x=a\)对称,得到得到\(f(x)=f(2a-x)①\);
又由函数\(f(x)\)的图像关于直线\(x=b\)对称,得到\(f(x)=f(2b-x)②\);
即\(f(2a-x)=f(2b-x)\),即\(f(x+2a)=f(x+2b)\),用\(x-2a\)替换\(x\),
得到\(f(x)=f(x+2(b-a))\),故则\(T=2|a-b|\); ↩︎证明:由函数\(f(x)\)的图像关于点\(M(a,0)\)对称,得到\(f(x)+f(2a-x)=0①\);
又由函数\(f(x)\)的图像关于点\(N(b,0)\)对称,得到\(f(x)+f(2b-x)=0②\);
即\(f(2a-x)=f(2b-x)\),即\(f(x+2a)=f(x+2b)\),用\(x-2a\)替换\(x\),
得到\(f(x)=f(x+2(b-a))\),故则\(T=2|a-b|\); ↩︎证明:由函数\(f(x)\)的图像关于直线\(x=a\)对称,得到\(f(x)=f(2a-x)①\);
又函数\(f(x)\)的图像关于点\(M(b,0)\)对称,得到\(f(x)+f(2b-x)=0\),
故\(f(2a-x)=-f(2b-x)\),用\(-x\)替换\(x\)得到,\(f(x+2a)=-f(x+2b)\),
再用\(x-2a\)替换\(x\),得到\(f(x)=-f(x+2(b-a))\),
即\(f(x+2(b-a))=-f(x)\),故\(T=4|a-b|\); ↩︎