下列函数中哪一个不是周期函数?()A. y=cos(x-2).B. y=cos 4x.C. y=1+sin pi x.D. y=xcos x.
A. $y=\cos(x-2)$.
B. $y=\cos 4x$.
C. $y=1+\sin \pi x$.
D. $y=x\cos x$.
题目解答
答案
解析
本题考查周期函数的定义及常见周期函数的判断。解题思路是根据周期函数的定义,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$T$。我们需要依次分析每个选项是否满足周期函数的定义。
选项A
对于函数$y = \cos(x - 2)$,根据余弦函数$y = \cos x$的周期是$2\pi$。
设$f(x)=\cos(x - 2)$,则$f(x + 2\pi)=\cos((x + 2\pi) - 2)=\cos(x - 2 + 2\pi)$。
根据余弦函数的周期性$\cos(\alpha+2k\pi)=\cos\alpha$($k\in Z$),这里$k = 1$,$\alpha=x - 2$,所以$\cos(x - 2 + 2\pi)=\cos(x - 2)=f(x)$。
所以$y = \cos(x - 2)$是周期函数,周期$T = 2\pi$。
选项B
对于函数$y = \cos 4x$,设$f(x)=\cos 4x$。
根据余弦函数$y = \cos\omega x$的周期公式$T=\frac{2\pi}{\vert\omega\vert}$($\omega\neq0$),在$y = \cos 4x$中$\omega = 4$。
则$T=\frac{2\pi}{4}=\frac{\pi}{2}$,即$f(x+\frac{\pi}{2})=\cos\left[4(x + \frac{\pi}{2})\right]=\cos(4x + 2\pi)$。
由$\cos(\alpha+2k\pi)=\cos\alpha$($k\in Z$),这里$k = 1$,$\alpha = 4x$,所以$\cos(4x + 2\pi)=\cos 4x=f(x)$。
所以$y = \cos 4x$是周期函数,周期$T=\frac{\pi}{2}$。
选项C
对于函数$y = 1 + \sin\pi x$,设$f(x)=1+\sin\pi x$。
根据正弦函数$y = \sin\omega x$的周期公式$T=\frac{2\pi}{\vert\omega\vert}$($\omega\neq0$),在$y = \sin\pi x$中$\omega=\pi$。
则$T=\frac{2\pi}{\pi}=2$,即$f(x + 2)=1+\sin[\pi(x + 2)]=1+\sin(\pi x + 2\pi)$。
由$\sin(\alpha+2k\pi)=\sin\alpha$($k\in Z$),这里$k = 1$,$\alpha=\pi x$,所以$1+\sin(\pi x + 2\pi)=1+\sin\pi x=f(x)$。
所以$y = 1 + \sin\pi x$是周期函数,周期$T = 2$。
选项D
对于函数$y = x\cos x$,设$f(x)=x\cos x$。
假设$y = x\cos x$是周期函数,存在非零常数$T$,使得$f(x + T) = f(x)$,即$(x + T)\cos(x + T)=x\cos x$。
令$x = 0$,则$T\cos T = 0$;令$x=\frac{\pi}{2}$,则$(\frac{\pi}{2}+T)\cos(\frac{\pi}{2}+T)=\frac{\pi}{2}\cos\frac{\pi}{2}=0$,即$(\frac{\pi}{2}+T)(-\sin T)=0$。
由$T\cos T = 0$可得$T = k\pi$($k\in Z,k\neq0$),代入$(\frac{\pi}{2}+T)(-\sin T)=0$中,$(\frac{\pi}{2}+k\pi)(-\sin k\pi)=0$,$\sin k\pi = 0$,但此时$(\frac{\pi}{2}+k\pi)(-\sin k\pi)=0$恒成立,然而当我们取$x = 1$时,$(1 + T)\cos(1 + T)=\cos 1$,若$T = k\pi$,$(1 + k\pi)\cos(1 + k\pi)=\cos 1$,$\cos(1 + k\pi)=(-1)^k\cos 1$,则$(1 + k\pi)(-1)^k\cos 1=\cos 1$,即$(1 + k\pi)(-1)^k = 1$。
当$k$为偶数时,$1 + k\pi = 1$,解得$k = 0$(舍去);当$k$为奇数时,$-(1 + k\pi)=1$,解得$k=-\frac{2}{\pi}$,这与$k\in Z$矛盾。
所以不存在非零常数$T$,使得$f(x + T) = f(x)$恒成立,$y = x\cos x$不是周期函数。