函數的對稱性判斷


前言

判斷依據

一般函數[包括三角函數]都適合的判斷依據,此方法具有普適性

函數\(f(x)\)關於直線\(x=a\)對稱\(\Leftrightarrow\)\(f(x+2a)=f(-x)\)其等價情形為\(f(-x+2a)\)\(=\)\(f(x)\)\(f(-x+a)\)\(=\)\(f(x+a)\)\(f(x+2a)\)\(-\)\(f(-x)\)\(=0\)\(\quad\).

函數\(f(x)\)關於點\((a,b)\)對稱\(\Leftrightarrow\) \(f(x+2a)\)\(+\)\(f(-x)\)\(=2b\)其等價情形為\(f(-x+2a)\)\(+\)\(f(x)\)\(=2b\)\(f(-x+a)\)\(+\)\(f(x+a)\)\(=2b\)\(\quad\).

【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【\(\quad\)

$A.$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,在\((0,1)\)上單增,

\((1,2)\)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\(C\)

正[余]弦型三角函數[或能化為\(f(x)=A\sin(\omega x+\phi)\)]特有判斷依據,其他函數不能濫用;

  • 若函數\(f(x)\)關於直線\(x=\cfrac{\pi}{3}\)對稱,則\(\omega\times\cfrac{\pi}{3}+\phi=k\pi+\cfrac{\pi}{2}\)換句話說,\(x=\cfrac{\pi}{3}\)能使得\(y=\sin(\omega x+\phi)\)取到最值,注意是最大值或者最小值;\(\quad\)\(k\in \Z\)
  • 若函數\(f(x)\)關於\((\cfrac{\pi}{3},0)\)對稱,則\(\omega\times\cfrac{\pi}{3}+\phi=k\pi\)換句話說,\(x=\cfrac{\pi}{3}\)能使得函數\(y=\sin(\omega x+\phi)\)取到\(0\)\(\quad\)\(k\in \Z\)

函數\(f(x)=2cos(\omega x+\phi)(\omega\neq 0)\)對任意\(x\)都有\(f(\cfrac{\pi}{4}+x)=f(\cfrac{\pi}{4}-x)\)成立,則\(f(\cfrac{\pi}{4})\)的值為【】

$A.2或0$ $B.-2或2$ $C.0$ $D.-2或0$

分析:由任意\(x\)都有\(f(\cfrac{\pi}{4}+x)=f(\cfrac{\pi}{4}-x)\)成立,可知\(x=\cfrac{\pi}{4}\)為函數的一條對稱軸,

而正弦型或余弦型函數在對稱軸處必然會取到最值,故\(f(\cfrac{\pi}{4})=\pm 2\),選\(B\)

解后反思:此題目如果不注意函數的性質,往往會想到求\(\omega\)\(\phi\),這樣思路就跑偏了。

【2018雲南玉溪一模】函數\(f(x)=\sqrt{3}sin2x+2cos^2x\)的一條對稱軸為直線【】

$A.x=\cfrac{\pi}{12}$ $B.x=\cfrac{\pi}{6}$ $C.x=\cfrac{\pi}{3}$ $D.x=\cfrac{\pi}{2}$

分析:\(f(x)=2sin(2x+\cfrac{\pi}{6})+1\)

法1:比較繁瑣,令\(2x+\cfrac{\pi}{6}=k\pi+\cfrac{\pi}{2}\)\(k\in Z\),則\(x=\cfrac{k\pi}{2}+\cfrac{\pi}{6}\)\(k\in Z\),即對稱軸有無數條,

\(k=0\),得到其中的一條對稱軸為\(x=\cfrac{\pi}{6}\),當\(k\)取其他的值時,都不能得到其他的選項,故選\(B\)

法2:比較簡單,利用函數在對稱軸處的函數值能取到最值,故只需驗證即可,

比如,將\(x=\cfrac{\pi}{12}\)代入\(sin(2x+\cfrac{\pi}{6})\),即\(sin\cfrac{\pi}{3}\),並不能使得其取到最值\(\pm 1\),故舍去\(A\)

\(x=\cfrac{\pi}{6}\)代入\(sin(2x+\cfrac{\pi}{6})\),即\(sin\cfrac{\pi}{2}\),能使得其取到最大值\(1\),則\(B\)必然滿足;

用同樣的方法可以驗證其余的選項錯誤;綜上所述,故選\(B\).

如何驗證函數 \(y=\log _{2}\cfrac{2x}{4-x}\) 圖象的對稱中心為點 \((2,1)\)

解析:法1,驗證函數 \(y=\log _{2}\cfrac{2x}{4-x}\)的對稱性的思路之一:

在函數 \(y=\log _{2}\cfrac{2x}{4-x}\) 的圖象上任取一點 \((a, b)\), 則 \(b=\log_{2}\cfrac{2a}{4-a}\)

則點 \((a, b)\)關於點 \((2,1)\) 的對稱點的坐標為 \((4-a,2-b)\)

[注意,此時不能直接將點 \((4-a,2-b)\) 代入函數\(y=\log _{2}\cfrac{2x}{4-x}\),原因是我們並不知道點 \((4-a,2-b)\) 在不在這個函數圖像上]

又由於 \(b=\log_{2}\cfrac{2a}{4-a}\), 得到 \(-b=\log_{2}\cfrac{4-a}{2a}\)

\(2-b=2+\log_{2}\cfrac{4-a}{2a}=\log_{2}\cfrac{2(4-a)}{a}=\log_{2}\cfrac{2(4-a)}{4-(4-a)}\)

即點 \((4-a,2-b)\) 在函數\(y=\log _{2}\cfrac{2x}{4-x}\)上 ,

由於點 \((a,b)\) 的任意性,可知函數圖象的對稱中心為\((2, 1)\), 故 (5) 正確.

法2,驗證函數 \(y=\log _{2}\cfrac{2x}{4-x}\)的對稱性的思路之二:

由於 \(y=f(x)=\log _{2}\cfrac{2x}{4-x}\)

\(f(4-x)=\log _{2}\cfrac{2(4-x)}{4-(4-x)}=\log _{2}\cfrac{2(4-x)}{x}\)

\(f(x)+f(4-x)=\log _{2}\cfrac{2x}{4-x}+\log _{2}\cfrac{2(4-x)}{x}=\log_{2}4=2\)

即函數滿足 \(f(x)+f(4-x)=2\),故函數 \(y=f(x)\) 關於點 \((2,1)\) 對稱;

典例剖析

【2021屆高三文科月考三用題】已知 \(f(x)=\sin x\cdot\cos^{2}x\), 下列結論中錯誤的是 【\(\quad\)

$A.$$f(x)$既是奇函數也是周期函數;
$B.$$f(x)$的最大值為 $\frac{\sqrt{3}}{3}$;
$C.$$f(x)$的圖象關於直線$x=\frac{\pi}{2}$對稱;
$D.$$f(x)$的圖象關於點$(\pi, 0)$成中心對稱;

分析:由於函數不能快速轉化為正[余]弦型函數,故采用具有普適性的對稱性判定依據;

解: 對於選項 \(A\)而言,因為函數定義域為\(R\), 所以由 \(f(x)=\sin x\cos^{2}x\)

可得 \(f(-x)=-\sin x\cos^{2}x=-f(x)\),所以函數是奇函數;

\(f(x+2\pi)=\sin(x+2\pi)\cos^{2}(x+2\pi)=\sin x\cos^{2}x=f(x)\)

所以函數是周期函數[雖然說我們對函數的最小正周期暫時不太清楚],故選項\(A\) 正確;

對於選項 \(C\)而言, 因為\(f(\pi-x)=\sin(\pi-x)\cos^{2}(\pi-x)=\sin x\cos^{2}x=f(x)\)

所以函數關於 \(x=\cfrac{\pi}{2}\) 對稱, 故選項\(C\) 正確;

對於選項 \(D\)而言,因為 \(f(2\pi-x)=\sin(2\pi-x)\cos^{2}(2\pi-x)=-\sin x\cos^{2}x=-f(x)\)

所以函數關於 \((\pi, 0)\) 對稱,故選項\(D\) 正確;

對於選項 \(B\)而言,令\(\sin x=t\in [-1,1]\)

\(f(x)=t(1-t^2)=-t^3+t=g(t)\)\(t\in [-1,1]\),轉而求\(g(x)\)的最大值;

\(g'(x)=-3t^2+1\),令\(-3t^2+1>0\),得到\(-\cfrac{\sqrt{3}}{3}<t<\cfrac{\sqrt{3}}{3}\)

\(-3t^2+1<0\),得到 \(-1<t<-\cfrac{\sqrt{3}}{3}\)\(\cfrac{\sqrt{3}}{3}<t<1\)

故函數在\([-1,-\cfrac{\sqrt{3}}{3}]\)上單調遞減,在\([-\cfrac{\sqrt{3}}{3},\cfrac{\sqrt{3}}{3}]\)上單調遞增,

\([\cfrac{\sqrt{3}}{3},1]\)上單調遞減,且\(f(-1)=f(1)=f(0)=0\)

故當\(t=\cfrac{\sqrt{3}}{3}\)時,\(g(x)_{\max}=g(\cfrac{\sqrt{3}}{3})=\cfrac{2\sqrt{3}}{9}\);即\(f(x)_{max}=\cfrac{2\sqrt{3}}{9}\)

綜上所述,故選\(B\).


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