• 抽象函数的对称性验证


    前言

    抽象函数的性质往往不太好想,所以举个例子,加以验证。作为学生,不需要知道那么严谨的逻辑证明,只要会用结论就行了。

    图像说明

    • 轴对称函数所举的例子:(f(x)=cfrac{1}{4}(x-2)^2);具体函数(Rightarrow)抽象函数;

    【结论】若函数(f(x))满足条件(f(x)=f(4-x))

    则函数是轴对称图形,其对称轴是(x=cfrac{(x)+(4-x)}{2})(=2)

    • 中心对称函数所举的例子:(g(x)=(x-1)^3);具体函数(Rightarrow)抽象函数;

    【结论】若函数(g(x))满足条件(g(x)+g(2-x)=0)

    则函数是中心对称图形,其对称中心是((x_0,y_0))

    具体坐标算法为(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)

    逻辑证明

    • 函数(f(x))的对称轴为直线(x=2)的充要条件是函数(f(x))满足(f(x)=f(4-x))

    充分性:函数(f(x))满足(f(x)=f(4-x)),取其上任意一点((x_0,y_0))

    则有(y_0=f(x_0)),则有(f(x_0)=f(4-x_0)=y_0)

    说明点((x_0,y_0))和点((4-x_0,y_0))都在函数图像上,

    而这两个点关于直线(x=cfrac{x_0+(4-x_0)}{2}=2)对称,

    又由于点的任意性可知,函数关于直线(x=2)对称;

    必要性:函数(f(x))的对称轴为直线(x=2)

    取其上任意一点((x_0,y_0)),则有(y_0=f(x_0))

    而点((x_0,y_0))关于直线(x=2)的对称点是((4-x_0,y_0))

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

    又由于点的任意性可知,函数必然满足(f(x)=f(4-x))。[证毕]

    使用方法:

    若函数(f(x))满足(f(x)=f(2-x))

    则是关于直线(x=cfrac{x+(2-x)}{2}=1) 对称的;

    自然若函数(f(x))满足(f(1-x)=f(1+x))

    则也是关于直线(x=cfrac{(1-x)+(1+x)}{2}=1) 对称的;

    其实表达式(f(x)=f(2-x))(f(1-x)=f(1+x))刻画的是同一回事,

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

    用此理论,我们还可以主动刻画函数的对称性,

    其一用图像刻画,其二用数学语言表达为(f(0.5-x)=f(1.5+x))

    • 函数(f(x))的对称中心是((1,1))的充要条件是函数(f(x))满足(f(x)+f(2-x)=2)

    充分性:函数(f(x))满足(f(x)+f(2-x)=2),取其上任意一点((x_0,y_0))

    则必有(y_0=f(x_0))

    又由于点((x_0,y_0))关于点((1,1))的对称点为((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)),说明点((2-x_0,2-y_0))也在函数图像上,

    又由于点的任意性可知,函数图像上任意点关于点((1,1))的对称点也在函数图像上;

    必要性:函数(f(x))的对称中心为点((1,1))

    取其上任意一点((x_0,y_0)),其在图像上,则有(y_0=f(x_0))

    而其对称点((2-x_0,2-y_0))也在图像上,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)

    又由于点的任意性可知,函数图像上任意点都满足(f(x)+f(2-x)=2);[证毕]

    使用方法:

    若函数(f(x))满足(f(x)+f(2-x)=4),则其关于点成中心对称,

    对称中心的坐标((x_0,y_0))这样求解,

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

    即对称中心为((1,2))

    自然若函数(f(x))满足(f(-x)+f(2+x)=2),则也是关于点((1,1))对称的,

    同理我们也可以这样刻画一个函数关于点((1,1))对称。

    我们就说函数满足条件(f(0.5-x)+f(1.5+x)=2)或者(f(3-x)+f(-1+x)=2)

    典例剖析

    所举的函数例子虽说不是抽象函数,但对称性的验证同样适用。

    例1【2017全国卷1文科第9题高考真题】已知函数(f(x)=lnx+ln(2-x)),则【】

    $A.$在$(0,2)$上单调递增
    $B.$在$(0,2)$上单调递减
    $C.y=f(x)$的图像关于直线$x=1$对称
    $D.y=f(x)$的图像关于点$(1,0)$对称

    分析:由于函数(f(x))是复合函数,定义域要使(x>0,2-x>0),即定义域是((0,2))

    (f(x)=ln[x(2-x)]=ln[-(x-1)^2+1]),则由复合函数的单调性法则可知,

    ((0,1))上单增,在((1,2))上单减,故排除(A)(B)

    若函数(y=f(x))关于点((1,0))对称,则函数(f(x))必然满足关系:(f(x)+f(2-x)=0)

    若函数(y=f(x))关于直线(x=1)对称,则函数(f(x))必然满足关系:(f(x)=f(2-x))

    接下来我们用上述的结论来验证,由于(f(x)=lnx+ln(2-x))

    (f(2-x)=ln(2-x)+ln(2-(2-x))=ln(2-x)+lnx),即满足(f(x)=f(2-x)),故函数(y=f(x))的图像关于直线(x=1)对称,选(C)

    再来验证(D),发现(f(x)+f(2-x)=2[lnx+ln(2-x)] eq 0)(D)选项不满足。故选(C)

    例2【2018高三文科训练题】已知函数(f(x)=lg(4x-x^2)),则【】

    $A.f(x)$在$(0,4)$上单调递增
    $B.f(x)$在$(0,4)$上单调递减
    $C.y=f(x)$的图像关于直线$x=2$对称
    $D.y=f(x)$的图像关于点$(2,0)$对称

    分析:令内函数(g(x)=4x-x^2>0),得到定义域((0,4)),又(g(x)=-(x-2)^2+4),故内函数在((0,2])单减,在([2,4))单增,外函数只有单调递增,故复合函数(f(x))((0,2])单减,在([2,4))单增,故排除(A)(B)

    要验证(C)选项,只需要验证(f(x)=f(4-x))即可,这是(y=f(x))的图像关于直线(x=2)对称的充要条件;

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

    若要验证(D)选项,只需要利用(y=f(x))的图像关于点((2,0))对称的充要条件,即验证(f(x)+f(4-x)=0)即可。自行验证,不满足。

    故本题目选(C).

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