周期性奇函数与周期性偶函数

前置定义:

1. 奇函数:定义域关于原点对称,\(\boldsymbol{f(-x)=-f(x)}\),若\(x=0\)在定义域内,则\(\boldsymbol{f(0)=0}\);

2. 偶函数:定义域关于原点对称,\(\boldsymbol{f(-x)=f(x)}\);

3. 周期函数:\(\boldsymbol{f(x+T)=f(x)(T>0)}\),\(T\)为一个最小正周期(若无特殊说明\(T\)指最小正周期)。

第一部分:周期为\(T\)的奇函数全部性质与二级结论

基础性质

1. \(f(x+T)=f(x),f(-x)=-f(x)\),\(f(0)=0\)(\(0\in D\),\(D\)为定义域)。

2. 核心推导结论:\(\boldsymbol{f(\dfrac T2)=0}\)

推导:\(f(\dfrac T2)=f(\dfrac T2-T)=f(-\dfrac T2)=-f(\dfrac T2)\Rightarrow 2f(\dfrac T2)=0\Rightarrow f(\dfrac T2)=0\)。

一级衍生结论(零点通式)

对任意\(k\in \mathbb Z\):\(\boldsymbol{f\left(\dfrac T2+kT\right)=0,\ f(kT)=0}\)

即零点集合:\(x=\dfrac{kT}{2},k\in\mathbb Z\),每隔\(\dfrac T2\)出现一个零点。

二级结论(恒等变形、平移公式,考试高频)

结论1:\(\boldsymbol{f(x+\dfrac T2)=-f(x-\dfrac T2)}\)

证明:\(f(x+\dfrac T2)=f(x+\dfrac T2-T)=f(x-\dfrac T2)=-f\left[-(x-\dfrac T2)\right]\)。

结论2:\(f(x+\dfrac T2)=-f(x)\iff\) 周期\(T\)的奇函数,可推出\(f(x+T)=-f(x+\dfrac T2)=f(x)\),是半周期变号模型。

结论3:若奇函数除原点外还有对称中心\((a,0)\),则函数周期\(\boldsymbol{T=4|a|}\)。

证明:\(f(a+x)=-f(a-x),f(-x)=-f(x)\),联立迭代得周期\(4a\)。

结论4:奇函数\(+\)一条对称轴\(x=a\),则最小正周期\(\boldsymbol{T=4|a|}\)(高考重中之重)。

推导:\(f(a+x)=f(a-x),f(-x)=-f(x)\),反复替换变量可得\(f(x+4a)=f(x)\)。

结论5:\(f(x)\)周期\(T\)奇函数,则\(y=f(x+\dfrac T2)\)依然是奇函数。

图像特征

1. 整体关于原点中心对称;

2. 图像沿\(x\)轴每平移\(T\)重复;

3. \(x=0、\pm\dfrac T2、\pm T\cdots\)处函数图像穿过\(x\)轴。

第二部分:周期为\(T\)的偶函数全部性质与二级结论

基础性质

\(f(-x)=f(x),f(x+T)=f(x)\),图像关于\(y\)轴(\(x=0\))对称。

一级核心结论

\(\boldsymbol{x=\dfrac{kT}{2}(k\in\mathbb Z)}\)全是函数对称轴。

证明:\(f(\dfrac T2+x)=f(\dfrac T2+x-T)=f(x-\dfrac T2)=f(\dfrac T2-x)\),所以\(x=\dfrac T2\)是对称轴;周期性平移得所有对称轴。

二级拓展结论

结论1:\(\boldsymbol{f(x+\dfrac T2)=f(\dfrac T2-x)}\),半周期位置天然对称。

结论2:偶函数\(+\)异于\(y\)轴的对称轴\(x=a(a\neq0)\),则最小正周期\(\boldsymbol{T=2|a|}\)。(高频考点)

推导:\(f(a+x)=f(a-x),f(-x)=f(x)\),替换得\(f(x+2a)=f(x)\)。

结论3:偶函数\(+\)对称中心\((a,0)(a\neq0)\),则最小正周期\(\boldsymbol{T=4|a|}\)。

结论4:\(f(x)\)周期\(T\)偶函数,则\(y=f(x+\dfrac T2)\)仍是偶函数。

结论5:\(f(x+\dfrac T2)=-f(x)\implies\)周期\(T\)偶函数的隐藏变号周期,此时\(f(x+T)=f(x)\)。

图像特征

1. 以\(y\)轴为左右对称;

2. 每\(\dfrac T2\)出现一条竖直对称轴,相邻对称轴间距\(\dfrac T2\)。

第三部分:奇偶+周期通用复合型万能结论(填空压轴必背)

1. 奇+对称轴\(x=a\Rightarrow T=4a\);

2. 偶+对称轴\(x=a\Rightarrow T=2a\);

3. 奇+对称中心\((a,0)\Rightarrow T=4a\);

4. 偶+对称中心\((a,0)\Rightarrow T=4a\);

5. \(f(x+a)=-f(x)\Rightarrow\)周期\(T=2a\)(变号周期,搭配奇偶快速求零点);

6. \(f(x+a)=\pm\dfrac1{f(x)}\Rightarrow\)周期\(T=2a\)。

第四部分:10道拔高难题(含考查方向,附简要思路)

> 说明:1~5侧重周期性奇函数,6~10侧重周期性偶函数,全为高考选择填空压轴难度。

题1(奇函数+周期综合零点计数)

已知\(f(x)\)是定义在\(\mathbb R\)上的奇函数,最小正周期\(T=4\),当\(x\in(0,2]\)时,\(f(x)=2^x-1\),求\(x\in[-4,4]\)时\(f(x)=0\)全部实数根。

思路:由奇函数\(f(0)=0\),\(f(2)=f(\dfrac T2)=0\),利用周期4与奇偶性拓展\(x=-4,-2,0,2,4\),再验证区间零点。

题2(奇函数+对称轴求参数)

定义在\(\mathbb R\)奇函数\(f(x)\)满足\(f(x+2)=f(2-x)\),若\(f(1)=2\),求\(f(2025)\)的值。

思路:奇函数+对称轴\(x=2\Rightarrow T=8\),\(2025\)对8取余,周期性化简。

题3(抽象奇函数周期证明)

\(f(x)\)为\(\mathbb R\)上奇函数,且\(f(x+3)=-\dfrac1{f(x)}\),求证函数周期\(T=6\),若\(f(1)=1\),求\(f(2026)\)。

思路:迭代替换\(x\to x+3\),推出\(f(x+6)=f(x)\),余数化简自变量。

题4(分段奇函数周期值域)

\(f(x)\)是周期\(T=3\)的奇函数,\(x\in[0,\dfrac32)\)时\(f(x)=x^2-x\),求\(x\in[-\dfrac92,\dfrac92]\)时函数值域。

思路:先求一个半周期值域,奇偶对称左半区间,再周期平移拓展。

题5(零点规律压轴)

\(f(x)\)是周期\(T=6\)的奇函数,\(f(2)=0\),求在区间\((0,6)\)内\(f(x)=0\)根的个数。

思路:\(f(0)=0,f(3)=f(\dfrac T2)=0\),\(f(2)=0\),奇偶+周期推出\(f(4)=0\),逐个找零点。

题6(偶函数+对称轴求周期)

偶函数\(f(x)\)定义域\(\mathbb R\),\(f(x+1)=f(3-x)\),\(f(1)=3\),求\(f(2024)\)。

思路:\(x=2\)是对称轴+偶函数\(\Rightarrow T=4\),对2024取模计算。

题7(偶函数+对称中心求参数)

\(f(x)\)是\(\mathbb R\)上偶函数,且\(f(x+2)+f(-x)=0\),求证周期\(T=8\),已知\(f(1)=-1\),求\(f(7)\)。

思路:变形\(f(x+2)=-f(x)\),迭代结合偶函数推导周期。

题8(分段周期偶函数解方程)

周期\(T=4\)的偶函数\(f(x)\),\(x\in[0,2]\)时\(f(x)=-x^2+2\),求解不等式\(f(x)>0\)在\([-6,6]\)的解集。

思路:先求\([0,2]\)解集,偶函数对称\([-2,0]\),周期4向左右拓展区间。

题9(抽象函数综合:偶+双对称)

偶函数\(f(x)\)满足\(f(x+3)=f(1-x)\),\(x\in[0,2]\),\(f(x)=x+1\),求\(f(2025)\)。

思路:两条对称轴推出周期,化简自变量到已知解析式区间。

题10(奇偶混搭压轴,多选难度)

\(f(x)\)既是周期\(T=2\)的函数,又满足\(f(x+1)\)是偶函数,下列正确:

① \(f(x)\)关于\(x=1\)对称;②\(f(x)\)是偶函数;③\(f(\dfrac12)=f(\dfrac32)\);④\(f(x)\)关于原点对称。

思路:\(f(x+1)\)偶\(\Rightarrow x=1\)对称轴,结合\(T=2\)推导全部对称性。

补充做题通用技巧

1. 看见奇函数+周期优先标记\(0、\dfrac T2\)必为零点;

2. 看见偶函数+周期优先标记\(0、\dfrac T2\)必为对称轴;

3. 抽象函数全部用变量替换法(\(x\Rightarrow x+a\))推导周期与对称。

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