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        一道高考題引發(fā)的思考*

        2017-06-05 15:03:23周杭敏
        中學教研(數(shù)學) 2017年4期
        關(guān)鍵詞:特征方程蕭山區(qū)運算量

        ●周杭敏

        (蕭山區(qū)第六高級中學 浙江杭州 311261)

        一道高考題引發(fā)的思考*

        ●周杭敏

        (蕭山區(qū)第六高級中學 浙江杭州 311261)

        在高中數(shù)學中,我們常見的是已知初始值,且函數(shù)f(x)或數(shù)列{an}滿足三階遞推式子,求當x或者n取較大值時函數(shù)f(x)或數(shù)列{an}的值.解決這個問題的關(guān)鍵是求出此時函數(shù)或數(shù)列的周期.平時解題中一般都是通過列舉法求出周期,這種方法運算量較大,而且不太適用周期較大的函數(shù),因此一種較為簡單且利于學生計算的方法迫在眉睫.文章討論函數(shù)f(x)或數(shù)列{an}滿足三階遞推式子時求其周期性的一種新方法,并給出了最小正周期.

        三階遞推;周期性;最小正周期

        函數(shù)在高中數(shù)學中有著舉足輕重的地位,也是高考壓軸題考查的重點,周期性是函數(shù)的一個重要性質(zhì).而數(shù)列又是一種特殊的函數(shù),利用函數(shù)的思想方法類比函數(shù)的周期性解決周期數(shù)列的有關(guān)問題,實現(xiàn)函數(shù)思想方法的正遷移,有利于知識的構(gòu)建與重整.函數(shù)f(x)或周期數(shù)列{an}因其優(yōu)美的周期性常常受到高考和競賽的青睞.

        題目 定義在R上的函數(shù)f(x)滿足

        求f(2 016)的值.

        (2016年浙江省杭州市高三名校第1次模擬考試題)

        分析 本題考查對數(shù)的運算性質(zhì)和函數(shù)周期性,以及歸納推理的能力.根據(jù)函數(shù)的表達式,利用題中遞推式子推導得出“當x>0時函數(shù)的周期”,再根據(jù)f(x)的周期性,求解f(2 016)的值.

        解 對任意的x>0,由

        f(x+6)=f(x+5)-f(x+4)=

        f(x+4)-f(x+3)-f(x+4)=

        -f(x+3)=-[f(x+2)-f(x+1)]=

        -[f(x+1)-f(x)-f(x+1)]=f(x),得

        f(x+6)=f(x),

        即當x>0時,f(x)的周期為6.因此,

        f(2 016)=f(336×6)=f(6)=f(5)-f(4)=

        [f(4)-f(3)-f(4)]=-f(3)=

        -[f(2)-f(1)]=

        -[f(1)-f(0)-f(1)]=

        f(0)=log21=0.

        從上述解答中可以發(fā)現(xiàn):解決這道題的關(guān)鍵是求出當x>0時函數(shù)的周期.由于該解法需要由遞推式子逐步地推導出函數(shù)的周期,運算量較大,而且此解法不太適用于當函數(shù)滿足某種遞推式子時周期比較大的情況.因此,筆者在上述解法之外探尋新的方法如下:

        由f(x)=f(x-1)-f(x-2),得特征方程[1]

        x2=x-1,

        x2-x+1=0,

        解得

        圖1

        f(x)=f(x+6).

        從上述方法中可以看出,由f(x)=f(x-1)-f(x-2)可以推出f(x)的周期.在高中數(shù)學中,最常見的是已知函數(shù)或數(shù)列滿足三階的遞推式子,通過函數(shù)f(x)或數(shù)列{an}的周期性來求一些特殊的函數(shù)值或數(shù)列值,因此研究函數(shù)滿足遞推式子時的周期性很有必要.而解決此類問題的關(guān)鍵是函數(shù)f(x)或數(shù)列{an}滿足三階遞推式子時,求函數(shù)f(x)或數(shù)列{an}的周期性.是否所有函數(shù)f(x)的三階遞推式子都可以求出周期呢?如果不是,那么函數(shù)f(x)滿足何種三階遞推式子時,函數(shù)f(x)具有周期性?此時f(x)的周期是多少?是否具有最小正周期?

        定理 若函數(shù)f(x)滿足三階遞推式子

        f(x+2)=mf(x+1)+nf(x),

        證明 不妨設一般的三階遞推式子為

        f(x+2)=mf(x+1)+nf(x),

        其中m,n∈R.由特征方程理論可知:f(x+2)=mf(x+1)+nf(x)的特征方程為

        x2-mx-n=0.

        1)當Δ=m2+4n≥0時,特征方程有2個實根,此時f(x)不具有周期性.

        2)當Δ=m2+4n<0時,特征方程有2個復數(shù)根.設特征方程的復數(shù)根為x1,x2,且

        又根據(jù)歐拉公式[1],得

        x1=r(cosθ+isinθ)=reθi,

        nθ=mθ+2kπ,其中k∈Z,

        從而

        因此,對任意的n,m,且n≠m,

        即z1的正周期是

        從而可知x1的正周期是

        [1] 鐘玉泉.復變函數(shù)論[M].3版.北京:高等教育出版社,2008.

        [2] 朱長江.偏微分方程[M].武漢:華中師范大學出版社,2005.

        2016-11-02;

        2016-12-06

        周杭敏(1992-),女,浙江杭州人,中學二級教師.研究方向:數(shù)學教育.

        O12

        A

        1003-6407(2017)04-42-02

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