抽象函數的對稱性驗證


前言

抽象函數的性質往往不太好想,所以舉個例子,加以驗證。作為學生,不需要知道那么嚴謹的邏輯證明,只要會用結論就行了。

圖像說明

  • 軸對稱函數所舉的例子:\(f(x)=\cfrac{1}{4}(x-2)^2\);具體函數\(\Rightarrow\)抽象函數;

【結論】若函數\(f(x)\)滿足條件\(f(x)=f(4-x)\)

則函數是軸對稱圖形,其對稱軸是\(x=\cfrac{(x)+(4-x)}{2}\)\(=2\)

  • 中心對稱函數所舉的例子:\(g(x)=(x-1)^3\);具體函數\(\Rightarrow\)抽象函數;

【結論】若函數\(g(x)\)滿足條件\(g(x)+g(2-x)=0\)

則函數是中心對稱圖形,其對稱中心是\((x_0,y_0)\)

具體坐標算法為\(x_0=\cfrac{(x)+(2-x)}{2}=1\)\(y_0=\cfrac{y_1+y_2}{2}\)\(=\cfrac{g(x)+g(2-x)}{2}\)\(=\cfrac{0}{2}=0\)

邏輯證明

  • 函數\(f(x)\)的對稱軸為直線\(x=2\)的充要條件是函數\(f(x)\)滿足\(f(x)=f(4-x)\)

充分性:函數\(f(x)\)滿足\(f(x)=f(4-x)\),取其上任意一點\((x_0,y_0)\)

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

說明點\((x_0,y_0)\)和點\((4-x_0,y_0)\)都在函數圖像上,

而這兩個點關於直線\(x=\cfrac{x_0+(4-x_0)}{2}=2\)對稱,

又由於點的任意性可知,函數關於直線\(x=2\)對稱;

必要性:函數\(f(x)\)的對稱軸為直線\(x=2\)

取其上任意一點\((x_0,y_0)\),則有\(y_0=f(x_0)\)

而點\((x_0,y_0)\)關於直線\(x=2\)的對稱點是\((4-x_0,y_0)\)

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

又由於點的任意性可知,函數必然滿足\(f(x)=f(4-x)\)。[證畢]

使用方法:

若函數\(f(x)\)滿足\(f(x)=f(2-x)\)

則是關於直線\(x=\cfrac{x+(2-x)}{2}=1\) 對稱的;

自然若函數\(f(x)\)滿足\(f(1-x)=f(1+x)\)

則也是關於直線\(x=\cfrac{(1-x)+(1+x)}{2}=1\) 對稱的;

其實表達式\(f(x)=f(2-x)\)\(f(1-x)=f(1+x)\)刻畫的是同一回事,

\(1-x\)替換\(f(x)=f(2-x)\)中的\(x\),就能得到\(f(1-x)=f(1+x)\)

用此理論,我們還可以主動刻畫函數的對稱性,

其一用圖像刻畫,其二用數學語言表達為\(f(0.5-x)=f(1.5+x)\)

  • 函數\(f(x)\)的對稱中心是\((1,1)\)的充要條件是函數\(f(x)\)滿足\(f(x)+f(2-x)=2\)

充分性:函數\(f(x)\)滿足\(f(x)+f(2-x)=2\),取其上任意一點\((x_0,y_0)\)

則必有\(y_0=f(x_0)\)

又由於點\((x_0,y_0)\)關於點\((1,1)\)的對稱點為\((2-x_0,2-y_0)\)

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

\(2-y_0=f(2-x_0)\),說明點\((2-x_0,2-y_0)\)也在函數圖像上,

又由於點的任意性可知,函數圖像上任意點關於點\((1,1)\)的對稱點也在函數圖像上;

必要性:函數\(f(x)\)的對稱中心為點\((1,1)\)

取其上任意一點\((x_0,y_0)\),其在圖像上,則有\(y_0=f(x_0)\)

而其對稱點\((2-x_0,2-y_0)\)也在圖像上,故有\(2-y_0=f(2-x_0)\)

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

又由於點的任意性可知,函數圖像上任意點都滿足\(f(x)+f(2-x)=2\);[證畢]

使用方法:

若函數\(f(x)\)滿足\(f(x)+f(2-x)=4\),則其關於點成中心對稱,

對稱中心的坐標\((x_0,y_0)\)這樣求解,

\(x_0=\cfrac{x+(2-x)}{2}=1\)\(y_0=\cfrac{f(x)+(2-x)}{2}=2\)

即對稱中心為\((1,2)\)

自然若函數\(f(x)\)滿足\(f(-x)+f(2+x)=2\),則也是關於點\((1,1)\)對稱的,

同理我們也可以這樣刻畫一個函數關於點\((1,1)\)對稱。

我們就說函數滿足條件\(f(0.5-x)+f(1.5+x)=2\)或者\(f(3-x)+f(-1+x)=2\)

典例剖析

所舉的函數例子雖說不是抽象函數,但對稱性的驗證同樣適用。

例1 【2017全國卷1文科第9題高考真題】已知函數\(f(x)=lnx+ln(2-x)\),則【】

$A.$在$(0,2)$上單調遞增
$B.$在$(0,2)$上單調遞減
$C.y=f(x)$的圖像關於直線$x=1$對稱
$D.y=f(x)$的圖像關於點$(1,0)$對稱

分析:由於函數\(f(x)\)是復合函數,定義域要使\(x>0,2-x>0\),即定義域是\((0,2)\)

\(f(x)=ln[x(2-x)]=ln[-(x-1)^2+1]\),則由復合函數的單調性法則可知,

\((0,1)\)上單增,在\((1,2)\)上單減,故排除\(A\)\(B\)

若函數\(y=f(x)\)關於點\((1,0)\)對稱,則函數\(f(x)\)必然滿足關系:\(f(x)+f(2-x)=0\)

若函數\(y=f(x)\)關於直線\(x=1\)對稱,則函數\(f(x)\)必然滿足關系:\(f(x)=f(2-x)\)

接下來我們用上述的結論來驗證,由於\(f(x)=lnx+ln(2-x)\)

\(f(2-x)=ln(2-x)+ln(2-(2-x))=ln(2-x)+lnx\),即滿足\(f(x)=f(2-x)\),故函數\(y=f(x)\)的圖像關於直線\(x=1\)對稱,選\(C\)

再來驗證\(D\),發現\(f(x)+f(2-x)=2[lnx+ln(2-x)]\neq 0\)\(D\)選項不滿足。故選\(C\)

例2 【2018高三文科訓練題】已知函數\(f(x)=lg(4x-x^2)\),則【】

$A.f(x)$在$(0,4)$上單調遞增
$B.f(x)$在$(0,4)$上單調遞減
$C.y=f(x)$的圖像關於直線$x=2$對稱
$D.y=f(x)$的圖像關於點$(2,0)$對稱

分析:令內函數\(g(x)=4x-x^2>0\),得到定義域\((0,4)\),又\(g(x)=-(x-2)^2+4\),故內函數在\((0,2]\)單減,在\([2,4)\)單增,外函數只有單調遞增,故復合函數\(f(x)\)\((0,2]\)單減,在\([2,4)\)單增,故排除\(A\)\(B\)

要驗證\(C\)選項,只需要驗證\(f(x)=f(4-x)\)即可,這是\(y=f(x)\)的圖像關於直線\(x=2\)對稱的充要條件;

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

若要驗證\(D\)選項,只需要利用\(y=f(x)\)的圖像關於點\((2,0)\)對稱的充要條件,即驗證\(f(x)+f(4-x)=0\)即可。自行驗證,不滿足。

故本題目選\(C\).


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