下列函数中,有周期性函数的是( D )A. y = x^3B. y = e^xC. y = arctan xD. y = sin 4x
A. $y = x^3$
B. $y = e^x$
C. $y = \arctan x$
D. $y = \sin 4x$
题目解答
答案
解析
本题考查函数周期性的判断,解题思路是根据周期函数的定义来逐一分析每个选项。周期函数的定义为:对于函数$y = f(x)$,如果存在一个不为零的常数$T$,使得当$x$取定义域内的每一个值时,$f(x + T) = f(x)$都成立,那么就把函数$y = f(x)$叫做周期函数,周期为$T$。
选项A
对于函数$y = x^3$,假设它是周期函数,存在非零常数$T$,使得$(x + T)^3 = x^3$。
根据立方公式$(a+b)^3=a^3+3a^2b + 3ab^2+b^3$展开$(x + T)^3$得:
$x^3+3x^2T + 3xT^2+T^3 = x^3$
即$3x^2T + 3xT^2+T^3 = 0$。
此式要对任意$x$都成立,只有$T = 0$,这与周期函数定义中$T\neq0$矛盾,所以$y = x^3$不是周期函数。
选项B
对于函数$y = e^x$,假设它是周期函数,存在非零常数$T$,使得$e^{x + T} = e^x$。
根据指数运算法则$a^{m+n}=a^m\times a^n$,$e^{x + T}=e^x\times e^T$,则$e^x\times e^T = e^x$。
因为$e^x\gt0$,两边同时除以$e^x$得$e^T = 1$,解得$T = 0$,这与周期函数定义中$T\neq0$矛盾,所以$y = e^x$不是周期函数。
选项C
对于函数$y = \arctan x$,假设它是周期函数,存在非零常数$T$,使得$\arctan(x + T) = \arctan x$。
根据反正切函数的性质,$\arctan a=\arctan b$时,$a = b$,则$x + T = x$,解得$T = 0$,这与周期函数定义中$T\neq0$矛盾,所以$y = \arctan x$不是周期函数。
选项D
对于函数$y = \sin 4x$,根据正弦函数的周期公式$T=\frac{2\pi}{\omega}$(其中$\omega$是$x$前面的系数),这里$\omega = 4$,则$T=\frac{2\pi}{4}=\frac{\pi}{2}$。
验证:$\sin\left[4\left(x+\frac{\pi}{2}\right)\right]=\sin(4x + 2\pi)$,根据正弦函数的周期性$\sin(\alpha + 2k\pi)=\sin\alpha$($k\in Z$),这里$k = 1$,$\alpha = 4x$,所以$\sin(4x + 2\pi)=\sin 4x$,满足周期函数的定义,所以$y = \sin 4x$是周期函数。