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[转载]周期不可公度的两个周期函数之和可以是周期函数么?

(2015-01-03 06:24:10)
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分类: 数学

“公度”是一个几何学概念。对于两条线段a和b,如果存在线段d,使得a=md,b=nd(m,n为自然数),那么称线段d为线段a和b的一个公度。换言之,两个数之比是有理数,那么这两个数是可公度的,否则不可公度。

sin(x)和sin(2x)这两个函数的周期一个是2π,一个是π,它们是可以公度的,而且两个函数之和sin(x)+sin(2x)也是周期函数,最小正周期是2π。

如果两个函数的周期是不可以公度的,直觉上他们的和函数应该不是周期函数,但是,有人构造出了一组函数f(x)和g(x),其中f(x)的最小正周期是sqrt(2), g(x)的最小正周期是sqrt(3), f(x)+g(x)的最小正周期是1!

下面给出构造和证明。

 

定义:设x1和x2是两个实数,若存在整数j,m,n使得x1-x2=j+sqrt(2)*m+sqrt(3)*n,则称x1与x2等价,

所有与x等价的实数所构成的集合称为x的等价类。

 

引理:存在集合E为R的一个真子集,使得对任意的实数x,都存在唯一的一组数(x',j,m,n),其中x'∈E而j,m,n是整数,使得x=x'+j+sqrt(2)*m+sqrt(3)*n.

由等价类的定义知,可以把R划分为所有等价类的并集。从每个等价类中任取一个元素组成一个新的集合E,则这个E即为所求(这里用到了选择公理)。另外,规定0=0+0*1+sqrt(2)*0+sqrt(3)*0.

 

下面给出构造和证明:

设f(x)=2x'+j+sqrt(3)*n;  g(x)=x'-j+sqrt(2)*m.

则h(x)=f(x)+g(x)=3x'+sqrt(2)*m+sqrt(3)*n.

 

 

因为x+sqrt(2)=x'+j+(m+1)*sqrt(2)+n*sqrt(3),所以sqrt(2)是f的一个周期。

下证sqrt(2)是最小正周期:

设T是f的一个周期,对T作分解T=x0+j0+m0*sqrt(2)+n0*sqrt(3).

 

因为2x0+j0+n0*sqrt(3)=f(T)=f(0)=0,

所以T-0=(x0+j0+m0*sqrt(2)+n0*sqrt(3))-(2x0+j0+n0*sqrt(3))=-x0+m0*sqrt(2),

 

因此我们得到了T=-x0+m0*sqrt(2),

再考虑到T的分解T=x0+j0+m0*sqrt(2)+n0*sqrt(3),两者相加得:

2T=j0+2m0*sqrt(2)+n0*sqrt(3),这是2T的分解式,

所以0=f(0)=f(2T)=j0+n0*sqrt(3),

 

相减再除以2:

T=(2T-0)/2=(j0+2m0*sqrt(2)+n0*sqrt(3)-(j0+n0*sqrt(3)))/2

=m0*sqrt(2),于是任意周期都是sqrt(2)的整数倍。

 

同理可证g(x)和h(x)的周期分别为sqrt(3)和1.

 

如果需要构造两个周期不可公度的函数之积为周期函数的例子,只需要取p(x)=e^f(x),q(x)=e^g(x)即可。

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