利用數(shù)學(xué)運(yùn)算解決一類函數(shù)的對稱性問題*

林心如 (福建師范大學(xué)附屬福清德旺中學(xué)高一(1)班 350319) 指導(dǎo)教師 周 寧

函數(shù)的對稱性問題在教材中沒有直接作為授課內(nèi)容呈現(xiàn)，而是以課后習(xí)題形式出現(xiàn)，并且是通過轉(zhuǎn)化為函數(shù)的奇偶性加以解決．那么，是否還有其他的方式進(jìn)行求解？本文進(jìn)行了以下的探究．

1 試題與分析

問題我們知道，函數(shù)y=f(x)的圖象關(guān)于坐標(biāo)原點(diǎn)成中心對稱圖形的充要條件是函數(shù)y=f(x)為奇函數(shù)，有同學(xué)發(fā)現(xiàn)可以將其推廣為：函數(shù)y=f(x)的圖象關(guān)于點(diǎn)P(a,b)成中心對稱圖形的充要條件是函數(shù)y=f(x+a)-b為奇函數(shù)．

(1)求函數(shù)f(x)=x3-3x2圖象的對稱中心；

(2)類比上述推廣結(jié)論，寫出“函數(shù)y=f(x)的圖象關(guān)于y軸成軸對稱圖形的充要條件是函數(shù)y=f(x)為偶函數(shù)”的一個推廣結(jié)論．

分析 這道題是人教A版必修第一冊第87頁“拓廣探索”欄目的最后一題，有一定的難度，主要體現(xiàn)在對背景知識的理解和代數(shù)運(yùn)算．根據(jù)題意，要將題目的對稱性轉(zhuǎn)化為函數(shù)的奇偶性．不妨設(shè)y=f(x)圖象的對稱中心為(a,b)，則問題等價于y=f(x+a)-b為奇函數(shù)，利用奇函數(shù)的函數(shù)關(guān)系式可得，f(-x+a)-b+f(x+a)-b=0，再將f(x)=x3-3x2代入求解．為了減少計(jì)算量，可以考慮先取特殊值(比如x=0，x= -1)求解出對稱中心的坐標(biāo)，再驗(yàn)證一般性成立．通過上述的分析可知，本題主要考查對函數(shù)奇偶性的理解以及知識的轉(zhuǎn)化遷移能力，對邏輯推理、數(shù)學(xué)運(yùn)算等數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)要求較高．

2 反思提升

無論是解法1和解法2，在求解時都需要用到立方和差公式，運(yùn)算較為麻煩．有沒有更為簡便的方法呢？在函數(shù)奇偶性的學(xué)習(xí)過程中，我們知道，在定義域滿足關(guān)于原點(diǎn)對稱的前提下，可以通過數(shù)學(xué)運(yùn)算判斷函數(shù)的奇偶性，如f(x)+g(x)的定義域關(guān)于原點(diǎn)對稱，其中f(x),g(x)均為奇函數(shù)，則f(x)+g(x)為奇函數(shù)．那么函數(shù)的對稱中心是否也可以通過運(yùn)算來判斷和計(jì)算呢？

·探究1 通過運(yùn)算探究函數(shù)的對稱中心

問題1提出猜想：若f(x),g(x)圖象的對稱中心都是(a,b)，則M(x)=f(x)+g(x)圖象的對稱中心也是(a,b)．

解析 因?yàn)閒(x),g(x)圖象的對稱中心都是(a,b)，則f(x)+f(2a-x)=2b，g(x)+g(2a-x)=2b．兩式相加得f(x)+g(x)+f(2a-x)+g(2a-x)=4b，即M(x)+M(2a-x)=4b，故猜想不正確．

事實(shí)上，M(x)=f(x)+g(x)圖象的對稱中心為(a,2b)，即

結(jié)論1若f(x),g(x)圖象的對稱中心都是(a,b)，則M(x)=f(x)+g(x)圖象的對稱中心為(a,2b)．

問題2若f(x),g(x)圖象都有對稱中心，但是對稱中心橫坐標(biāo)相同，縱坐標(biāo)不同，那么M(x)=f(x)+g(x)圖象有對稱中心嗎？

解析 若f(x),g(x)圖象的對稱中心分別為(a,b),(a,c)，則f(x)+f(2a-x)=2b，g(x)+g(2a-x)=2c．兩式相加得f(x)+g(x)+f(2a-x)+g(2a-x)=2b+2c，即M(x)+M(2a-x)=2b+2c．故M(x)=f(x)+g(x)圖象也有對稱中心，坐標(biāo)為(a,b+c)．

于是有

結(jié)論2若f(x),g(x)圖象的對稱中心分別為(a,b),(a,c)，則M(x)=f(x)+g(x)圖象的對稱中心坐標(biāo)為(a,b+c)．

同理，我們可以得到以下結(jié)論：

結(jié)論3若f(x),g(x)圖象的對稱中心橫坐標(biāo)不同，那么M(x)=f(x)+g(x)圖象不是中心對稱圖形．

結(jié)論4若f(x),g(x)圖象關(guān)于點(diǎn)成中心對稱，那么N(x)=f(x)g(x)圖象不是中心對稱圖形．

因此，我們可以給出試題的第3種解法：

解法3f(x)=x3-3x2=(x-1)3-3x+1可以看作函數(shù)u(x)=(x-1)3與v(x)= -3x+1的和，其中u(x)圖象的對稱中心為(1,0)，v(x)圖象為直線，而直線上任意一點(diǎn)都是它的對稱中心，那么取橫坐標(biāo)為1的點(diǎn)，即取對稱中心為(1,-2)，故由結(jié)論2可知，f(x)的對稱中心為(1,0+(-2)),即(1,-2)．下同解法2．

仿照解法3，我們可以推廣到一般的三次函數(shù)f(x)=ax3+bx2+cx+d(a≠0)圖象具有對稱中心．

·探究2 通過運(yùn)算探究函數(shù)的對稱軸

結(jié)論5若f(x),g(x)圖象的對稱軸為x=a，則m(x)=f(x)+g(x)圖象的對稱軸也是x=a．

解析f(x)=f(2a-x)，g(x)=g(2a-x)，兩式相加得，f(x)+g(x)=f(2a-x)+g(2a-x)，即m(x)=m(2a-x)，故m(x)=f(x)+g(x)圖象的對稱軸也是x=a．

結(jié)論6若f(x),g(x)圖象的對稱軸分別為x=a,x=b，則m(x)=f(x)+g(x)圖象不是軸對稱圖形．

結(jié)論7若f(x),g(x)圖象關(guān)于直線成軸對稱圖形，則n(x)=f(x)g(x)圖象不是軸對稱圖形．

3 學(xué)以致用

練習(xí)2 函數(shù)f(x)=x2-4x+2x-2+22-x的對稱軸是．(答案：x=2)

4 結(jié)語

對于數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)，一定要理解知識的基本結(jié)構(gòu)，從知識的整體性去認(rèn)知，這樣才能用聯(lián)系的觀點(diǎn)建立知識間內(nèi)在的邏輯關(guān)系，架構(gòu)起知識的學(xué)習(xí)方法，促進(jìn)自主學(xué)習(xí)．函數(shù)的對稱性其實(shí)不是新的內(nèi)容，奇偶性就是特殊的對稱性，因此可以通過遷移奇偶性的學(xué)習(xí)內(nèi)容和方法解決對稱性的相關(guān)問題，達(dá)成知識方法的內(nèi)化，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)能力的提升和核心素養(yǎng)的提高．