Математический анализ – это часть математики, в которой функции и их обобщения изучаются методом пределов

§ 11. Четные и нечетные функции. Периодические функции


Определение 1. Функция называется четной (нечетной), если вместе с каждым значением переменной значение –х также принадлежит и выполняется равенство
(11.1)
Таким образом, функция может быть четной или нечетной только тогда, когда ее область определения симметрична относительно начала координат на числовой прямой (числа х и –х одновременно принадлежат ). Например, функция не является четной и нечетной, так как ее область определения не симметрична относительно начала координат.
Функция четная, так как симметрична относительно начала координат и .
Функция нечетная, так как и .
Функция не является четной и нечетной, так как хотя и симметрична относительно начала координат, равенства (11.1) не выполняются. Например, .
График четной функции симметричен относительно оси Оу, так как если точка принадлежит графику, то и точка тоже принадлежит графику. График нечетной функции симметричен относительно начала координат, так как если принадлежит графику, то и точка тоже принадлежит графику.
При доказательстве четности или нечетности функции бывают полезны следующие утверждения.
Теорема 1. а) Сумма двух четных (нечетных) функций есть функция четная (нечетная).
б) Произведение двух четных (нечетных) функций есть функция четная.
в) Произведение четной и нечетной функций есть функция нечетная.
г) Если f – четная функция на множестве Х, а функция g определена на множестве , то функция – четная.
д) Если f – нечетная функция на множестве Х, а функция g определена на множестве и четная (нечетная), то функция – четная (нечетная).
Доказательство. Докажем, например, б) и г).
б) Пусть и – четные функции. Тогда , поэтому . Аналогично рассматривается случай нечетных функций и .
г) Пусть f – четная функция. Тогда .
Остальные утверждения теоремы доказываются аналогично. Теорема доказана.
Теорема 2. Любую функцию , заданную на множестве Х, симметричном относительно начала координат, можно представить в виде суммы четной и нечетной функций.
Доказательство. Функцию можно записать в виде
.
Функция – четная, так как , а функция – нечетная, поскольку . Таким образом, , где – четная, а – нечетная функции. Теорема доказана.
Определение 2. Функция называется периодической, если существует число , такое, что при любом числа и также принадлежат области определения и выполняются равенства
.
Такое число T называется периодом функции .
Из определения 1 следует, что если Т – период функции , то и число –Т тоже является периодом функции (так как при замене Т на –Т равенство сохраняется). С помощью метода математической индукции можно показать, что если Т – период функции f, то и , тоже является периодом. Отсюда следует, что если функция имеет период, то она имеет бесконечно много периодов.
Определение 3. Наименьший из положительных периодов функции называется ее основным периодом.
Теорема 3. Если Т – основной период функции f, то остальные периоды кратны ему.
Доказательство. Предположим противное, то есть что существует период функции f ( >0), не кратный Т. Тогда, разделив на Т с остатком, получим , где . Поэтому
,
то есть – период функции f, причем , а это противоречит тому, что Т – основной период функции f. Из полученного противоречия следует утверждение теоремы. Теорема доказана.
Хорошо известно, что тригонометрические функции являются периодическими. Основной период и равен , и . Найдем период функции . Пусть - период этой функции. Тогда
(так как .
Отсюда
или или или .
Значение T, определяемое из первого равенства, не может быть периодом, так как зависит от х, т.е. является функцией от х, а не постоянным числом. Период определяется из второго равенства: . Периодов бесконечно много, при наименьший положительный период получается при : . Это – основной период функции .
Примером более сложной периодической функции является функция Дирихле

Заметим, что если T – рациональное число, то и являются рациональными числами при рациональном х и иррациональными при иррациональном х. Поэтому

при любом рациональном числе T. Следовательно, любое рациональное число T является периодом функции Дирихле. Ясно, что основного периода у этой функции нет, так как есть положительные рациональные числа, сколь угодно близкие к нулю (например, рациональное число можно сделать выбором n сколь угодно близким к нулю).
Теорема 4. Если функция f задана на множестве Х и имеет период Т, а функция g задана на множестве , то сложная функция тоже имеет период Т.
Доказательство. Имеем , поэтому
,
то есть утверждение теоремы доказано.
Например, так как cos x имеет период , то и функции имеют период .
Определение 4. Функции, не являющиеся периодическими, называются непериодическими.