Γιώργος Χαρ. Πολύζος,τ. Μόνιμος Πάρεδρος του Π.Ι. 1/4
ΠΡΟΤΑΣΗ:
Αν μια συνάρτηση :f A είναι περιοδική, τότε ισχύουν τα ακόλουθα:
1. Αν η f είναι συνεχής και δεν είναι σταθερή, τότε θα έχει βασική περίοδο
0 0T και το σύνολο P των περιόδων της θα είναι ίσο με το:
0 0 0T kT k T
P ,
όπου 0T η κυκλική προσθετική ομάδα με γεννήτορα το 0 0T .
2. Αν η f δεν είναι συνεχής και δεν έχει βασική περίοδο, τότε το σύνολο P των
περιόδων της είναι πυκνό υποσύνολο του
ΑΠΟΔΕΙΞΗ:
Για την απόδειξη της πρότασης παραθέτουμε αρχικά δύο λήμματα, από τα οποία το
πρώτο χωρίς απόδειξη.
Λήμμα 1ο:
Αν μια συνάρτηση :f A είναι περιοδική, τότε:
Το άθροισμα και η διαφορά δύο περιόδων της είναι, επίσης, περίοδοι αυτής.
Κάθε μη μηδενικό ακέραιο πολλαπλάσιο μιας περιόδου της είναι, επίσης,
περίοδος αυτής.
Λήμμα 2ο:
Αν μια περιοδική συνάρτηση :f A δεν έχει βασική περίοδο, τότε υπάρχει
ακολουθία ( )nT θετικών περιόδων της, με lim 0n
n
T
.
Απόδειξη του Λήμματος:
Έστω 1P τυχαία θετική περίοδος της f . Επειδή η f δεν έχει βασική περίοδο, θα
υπάρχουν θετικές περίοδοι 2 3 4, , ,..., ,...nP P P P της f τέτοιες, ώστε να ισχύει:
1 2 3 4 1... ... 0n nP P P P P P
Ορίζεται, έτσι, μια ακολουθία ( )nP θετικών περιόδων της f , που είναι γνησίως
φθίνουσα και κάτω φραγμένη από το 0. Άρα , υπάρχει το lim 0n
n
P P
ορσ
.
Ας θεωρήσουμε, τώρα, την ακολουθία 1 0,n n nT P P n
. Επειδή η διαφορά
δύο περιόδων της f είναι περίοδος αυτής, η ακολουθία ( )nT είναι μια ακολουθία
θετικών περιόδων της f για την οποία, επιπλέον, ισχύει:
1lim lim 0n n n
n n
T P P P P
.
Βρήκαμε, δηλαδή, μια ακολουθία ( )nT θετικών περιόδων της f , με lim 0n
n
T
. Άρα
ισχύει το 2ο λήμμα.
Θα αποδείξουμε τώρα την πρόταση.
1. Αρχικά θα αποδείξουμε ότι η συνάρτηση f έχει βασική περίοδο. Υποθέτουμε
ότι η συνάρτηση f δεν έχει βασική περίοδο και θα καταλήξουμε σε άτοπο,
14.01.2019 Αποκλειστικά στο lisari.blogspot.gr Page 1 of 21
2.
Γιώργος Χαρ. Πολύζος,τ. Μόνιμος Πάρεδρος του Π.Ι. 2/4
αποδεικνύοντας ότι η f είναι σταθερή, που αντίκειται στην υπόθεση.
Πράγματι, για να αποδείξουμε ότι η συνάρτηση f είναι σταθερή, αρκεί να
αποδείξουμε ότι για κάθε 0x A ισχύει 0( ) (0)f x f . Έστω τυχαίο 0x A . Για
να αποδείξουμε ότι 0( ) (0)f x f , αρκεί να αποδείξουμε ότι:
0( ) (0) , γιακάθε 0f x f ε ε
Έστω τυχαίο 0ε . Επειδή η συνάρτηση f είναι συνεχής, θα υπάρχει 0δ
τέτοιος, ώστε να ισχύει:
0 0 0( ) ( ) , γιακάθε , με ( , )f x f x x A x x xε δ δ . (1)
Αν αποδείξουμε, τώρα, ότι υπάρχει όρος mT της ακολουθίας ( )nT του 1ου
λήμματος και ακέραιος 0k τέτοιοι, ώστε να ισχύει:
0 0( , )mkT x xδ δ , (2)
επειδή ο mkT , με 0k , είναι περίοδος της f , θα ισχύει ( ) (0)mf kT f , οπότε,
λόγω των (2) και (1), θα έχουμε:
0 0(0) ( ) ( ) ( )mf f x f kT f x ε ,
που ήταν το ζητούμενο προς απόδειξη.
Για να αποδείξουμε όμως τη σχέση (2) σκεφτόμαστε ως εξής:
Για να ισχύει η (2), αρκεί 0 0
,
m m
x x
k
T T
δ δ
. Για να ισχύει, όμως αυτό, αρκεί
το πλάτος
2
mT
δ
του διαστήματος 0 0
,
m m
x x
T T
δ δ
να είναι μεγαλύτερο του 2,
δηλαδή αρκεί να ισχύει mT δ . Κάτι τέτοιο, όμως, ισχύει, αφού lim 0n
n
T
.
Ακολουθώντας την αντίστροφη πορεία του παραπάνω σκεπτικού, επειδή
lim 0n
n
T
, έχουμε ότι υπάρχει όρος mT της ακολουθίας ( )nT τέτοιος, ώστε να
ισχύει mT δ , οπότε το πλάτος
2
mT
δ
του διαστήματος 0 0
,
m m
x x
T T
δ δ
θα
είναι μεγαλύτερο του 2 και συνεπώς θα υπάρχει ακέραιος 0k τέτοιος,
ώστε να ισχύει 0 0
,
m m
x x
k
T T
δ δ
, οπότε θα ισχύει η (2), που ήταν το
ζητούμενο. Δείξαμε, έτσι, ότι η συνάρτηση f έχει βασική περίοδο, την οποία
ας ονομάσουμε 0T .
Θα αποδείξουμε τώρα ότι το σύνολο P των περιόδων της f είναι ίσο με το
σύνολο:
0 0 0T kT k T
P ,
όπου 0T η κυκλική προσθετική ομάδα με γεννήτορα το 0 0T .
Πράγματι:
14.01.2019 Αποκλειστικά στο lisari.blogspot.gr Page 2 of 21
3.
Γιώργος Χαρ. Πολύζος,τ. Μόνιμος Πάρεδρος του Π.Ι. 3/4
Λόγω του 1ου λήμματος, κάθε στοιχείο του P είναι περίοδος της f . Άρα,
P P .
Έστω τυχαίο TP . Θα δείξουμε ότι υπάρχει k
τέτοιος, ώστε να
ισχύει 0T kT , οπότε θα ισχύει T P , απ’ όπου συνάγεται ότι P P .
Έτσι, θα έχουμε δείξει ότι P P και P P , οπότε θα ισχύει P P .
Για να αποδείξουμε αυτό, υποθέτουμε ότι δεν υπάρχει k
τέτοιος,
ώστε να ισχύει 0T kT και θα καταλήξουμε σε άτοπο. Πράγματι, αν δεν
υπάρχει k
τέτοιος, ώστε να ισχύει 0T kT , τότε θα υπάρχει k
τέτοιος, ώστε να ισχύει 0 0( 1)kT T k T , οπότε θα ισχύει 0 00 T kT T .
Αυτό, όμως, είναι άτοπο, διότι, λόγω του 1ου λήμματος, ο αριθμός
0T T kT είναι μια θετική περίοδος της f και δεν μπορεί να είναι
μικρότερη από την ελάχιστη θετική περιόδο αυτής.
2. Για να αποδείξουμε ότι το σύνολο P των περιόδων της συνάρτησης f είναι
πυκνό υποσύνολο του , αρκεί να αποδείξουμε ότι για οποιαδήποτε , ,α β
με α β , υπάρχει περίοδος TP τέτοια, ώστε να ισχύει ( , )T α β ή αρκεί να
αποδείξουμε ότι υπάρχει όρος mT της ακολουθίας ( )nT του 2ου λήμματος και
ακέραιος 0k τέτοιοι, ώστε να ισχύει
( , )mT kT α β (3)
Για να ισχύει η (3), αρκεί ,
m m
k
T T
α β
. Για να ισχύει, όμως αυτό, αρκεί το
πλάτος
mT
β α
του διαστήματος Δ να είναι μεγαλύτερο του 2, δηλαδή αρκεί να
ισχύει
2
mT
β α
. Κάτι τέτοιο, όμως, ισχύει, αφού lim 0n
n
T
.
Ακολουθώντας την αντίστροφη πορεία του παραπάνω σκεπτικού, επειδή
lim 0n
n
T
, έχουμε ότι υπάρχει όρος mT της ακολουθίας ( )nT τέτοιος, ώστε να
ισχύει
2
mT
β α
, οπότε το πλάτος
mT
β α
του διαστήματος ,
m mT T
α β
θα είναι
μεγαλύτερο του 2. Συνεπώς θα υπάρχει ακέραιος 0k τέτοιος, ώστε να
ισχύει ,
m m
k
T T
α β
, οπότε θα ισχύει η (3) , που ήταν το ζητούμενο και έτσι
η απόδειξη ολοκληρώθηκε.
ΣΧΟΛΙΟ:
Στην περίπτωση που το πεδίο ορισμού A της συνάρτησης f δεν έχει
μεμονωμένα σημεία (όπως είναι, για παράδειγμα, τα πεδία ορισμού των
συναρτήσεων y xημ , y xσυν , y xεφ και y xσφ ), το 1ο μέρος της
14.01.2019 Αποκλειστικά στο lisari.blogspot.gr Page 3 of 21
4.
Γιώργος Χαρ. Πολύζος,τ. Μόνιμος Πάρεδρος του Π.Ι. 4/4
πρότασης που αφορά στην ύπαρξη βασικής περιόδου, μπορούμε να το
αποδείξουμε και ως εξής:
Υποθέτουμε ότι η συνάρτηση f δεν έχει βασική περίοδο και θα καταλήξουμε
σε άτοπο, αποδεικνύοντας ότι η f είναι σταθερή, που αντίκειται στην
υπόθεση.
Πράγματι, για να αποδείξουμε ότι η συνάρτηση f είναι σταθερή, αρκεί να
αποδείξουμε ότι για κάθε 0x A ισχύει 0( ) (0)f x f . Έστω τυχαίο 0x A .
Επειδή η f είναι συνεχής, θα ισχύει
0
0lim ( ) ( )
x x
f x f x
, οπότε θα έχουμε ότι:
0lim ( ) ( )n
n
f x f x
, για κάθε ακολουθία ( )nx , με 0lim n
n
x x
(4)
Αν σκεφτούμε με τον ίδιο τρόπο, όπως στην απόδειξη του 1ου μέρους της
πρότασης, παίρνοντας αντί για 0δ το τυχαί
1
, γι οα n
n
, επειδή
lim 0n
n
T
, υπάρχει όρος nmT της ακολουθίας ( )nT τέτοιος, ώστε να ισχύει
1
nmT
n
, οπότε θα υπάρχει nk
τέτοιος, ώστε να ισχύει
0 0
1 1
,nn n mx k T x x
n n
. Όμως, λόγω του 1ου λήμματος, ισχύει nx P .
Αποδείξαμε, δηλαδή ότι υπάρχει ακολουθία ( )nx περιόδων της f με:
0 0
1 1
nx x x
n n
, για κάθε n
.
Τότε, όμως, θα ισχύει:
0lim n
n
x x
και ( ) (0)nf x f , (5)
οπότε, λόγω των (4) και (5), θα ισχύει:
(4) (5)
0( ) lim ( ) lim (0) 0n
n n
f x f x f
.
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ:
1. W. J. Kaczor, M. T. Nowak, Problems in mathematical analysis 2. Continuity and
differentiation, American Mathematical Society (2001)
2. G.N. Yakovlev, D. Sc, High School Mathematics, Mir. Publishers- Moscow 1985
14.01.2019 Αποκλειστικά στο lisari.blogspot.gr Page 4 of 21
Γιώργος Χαρ. Πολύζος,τ. Μόνιμος Πάρεδρος του Π.Ι. 1/4
ΠΡΟΤΑΣΗ:
Αν μια συνάρτηση :f A είναι περιοδική, τότε ισχύουν τα ακόλουθα:
1. Αν η f είναι συνεχής και δεν είναι σταθερή, τότε θα έχει βασική περίοδο
0 0T και το σύνολο P των περιόδων της θα είναι ίσο με το:
0 0 0T kT k T
P ,
όπου 0T η κυκλική προσθετική ομάδα με γεννήτορα το 0 0T .
2. Αν η f δεν έχει βασική περίοδο, τότε το σύνολο P των περιόδων της είναι
πυκνό υποσύνολο του
ΑΠΟΔΕΙΞΗ:
Για την απόδειξη της πρότασης παραθέτουμε αρχικά δύο λήμματα, από τα οποία το
πρώτο χωρίς απόδειξη.
Λήμμα 1ο:
Αν μια συνάρτηση :f A είναι περιοδική, τότε:
Το άθροισμα και η διαφορά δύο περιόδων της είναι, επίσης, περίοδοι αυτής.
Κάθε μη μηδενικό ακέραιο πολλαπλάσιο μιας περιόδου της είναι, επίσης,
περίοδος αυτής.
Λήμμα 2ο:
Αν μια περιοδική συνάρτηση :f A δεν έχει βασική περίοδο, τότε υπάρχει
ακολουθία ( )nT θετικών περιόδων της, με lim 0n
n
T
.
Απόδειξη του Λήμματος:
Έστω 1P τυχαία θετική περίοδος της f . Επειδή η f δεν έχει βασική περίοδο, θα
υπάρχουν θετικές περίοδοι 2 3 4, , ,..., ,...nP P P P της f τέτοιες, ώστε να ισχύει:
1 2 3 4 1... ... 0n nP P P P P P
Ορίζεται, έτσι, μια ακολουθία ( )nP θετικών περιόδων της f , που είναι γνησίως
φθίνουσα και κάτω φραγμένη από το 0. Άρα , υπάρχει το lim 0n
n
P P
ορσ
.
Ας θεωρήσουμε, τώρα, την ακολουθία 1 0,n n nT P P n
. Επειδή η διαφορά
δύο περιόδων της f είναι περίοδος αυτής, η ακολουθία ( )nT είναι μια ακολουθία
θετικών περιόδων της f για την οποία, επιπλέον, ισχύει:
1lim lim 0n n n
n n
T P P P P
.
Βρήκαμε, δηλαδή, μια ακολουθία ( )nT θετικών περιόδων της f , με lim 0n
n
T
. Άρα
ισχύει το 2ο λήμμα.
Θα αποδείξουμε τώρα την πρόταση.
1. Αρχικά θα αποδείξουμε ότι η συνάρτηση f έχει βασική περίοδο. Υποθέτουμε
ότι η συνάρτηση f δεν έχει βασική περίοδο και θα καταλήξουμε σε άτοπο,
14.01.2019 Αποκλειστικά στο lisari.blogspot.gr Page 18 of 21
19.
Γιώργος Χαρ. Πολύζος,τ. Μόνιμος Πάρεδρος του Π.Ι. 2/4
αποδεικνύοντας ότι η f είναι σταθερή, που αντίκειται στην υπόθεση.
Πράγματι, για να αποδείξουμε ότι η συνάρτηση f είναι σταθερή, αρκεί να
αποδείξουμε ότι για κάθε 0x A ισχύει 0( ) (0)f x f . Έστω τυχαίο 0x A . Για
να αποδείξουμε ότι 0( ) (0)f x f , αρκεί να αποδείξουμε ότι:
0( ) (0) , γιακάθε 0f x f ε ε
Έστω τυχαίο 0ε . Επειδή η συνάρτηση f είναι συνεχής, θα υπάρχει 0δ
τέτοιος, ώστε να ισχύει:
0 0 0( ) ( ) , γιακάθε , με ( , )f x f x x A x x xε δ δ . (1)
Αν αποδείξουμε, τώρα, ότι υπάρχει όρος mT της ακολουθίας ( )nT του 1ου
λήμματος και ακέραιος 0k τέτοιοι, ώστε να ισχύει:
0 0( , )mkT x xδ δ , (2)
επειδή ο mkT , με 0k , είναι περίοδος της f , θα ισχύει ( ) (0)mf kT f , οπότε,
λόγω των (2) και (1), θα έχουμε:
0 0(0) ( ) ( ) ( )mf f x f kT f x ε ,
που ήταν το ζητούμενο προς απόδειξη.
Για να αποδείξουμε όμως τη σχέση (2) σκεφτόμαστε ως εξής:
Για να ισχύει η (2), αρκεί 0 0
,
m m
x x
k
T T
δ δ
. Για να ισχύει, όμως αυτό, αρκεί
το πλάτος
2
mT
δ
του διαστήματος 0 0
,
m m
x x
T T
δ δ
να είναι μεγαλύτερο του 2,
δηλαδή αρκεί να ισχύει mT δ . Κάτι τέτοιο, όμως, ισχύει, αφού lim 0n
n
T
.
Ακολουθώντας την αντίστροφη πορεία του παραπάνω σκεπτικού, επειδή
lim 0n
n
T
, έχουμε ότι υπάρχει όρος mT της ακολουθίας ( )nT τέτοιος, ώστε να
ισχύει mT δ , οπότε το πλάτος
2
mT
δ
του διαστήματος 0 0
,
m m
x x
T T
δ δ
θα
είναι μεγαλύτερο του 2 και συνεπώς θα υπάρχει ακέραιος 0k τέτοιος,
ώστε να ισχύει 0 0
,
m m
x x
k
T T
δ δ
, οπότε θα ισχύει η (2), που ήταν το
ζητούμενο. Δείξαμε, έτσι, ότι η συνάρτηση f έχει βασική περίοδο, την οποία
ας ονομάσουμε 0T .
Θα αποδείξουμε τώρα ότι το σύνολο P των περιόδων της f είναι ίσο με το
σύνολο:
0 0 0T kT k T
P ,
όπου 0T η κυκλική προσθετική ομάδα με γεννήτορα το 0 0T .
Πράγματι:
14.01.2019 Αποκλειστικά στο lisari.blogspot.gr Page 19 of 21
20.
Γιώργος Χαρ. Πολύζος,τ. Μόνιμος Πάρεδρος του Π.Ι. 3/4
Λόγω του 1ου λήμματος, κάθε στοιχείο του P είναι περίοδος της f . Άρα,
P P .
Έστω τυχαίο TP . Θα δείξουμε ότι υπάρχει k
τέτοιος, ώστε να
ισχύει 0T kT , οπότε θα ισχύει T P , απ’ όπου συνάγεται ότι P P .
Έτσι, θα έχουμε δείξει ότι P P και P P , οπότε θα ισχύει P P .
Για να αποδείξουμε αυτό, υποθέτουμε ότι δεν υπάρχει k
τέτοιος,
ώστε να ισχύει 0T kT και θα καταλήξουμε σε άτοπο. Πράγματι, αν δεν
υπάρχει k
τέτοιος, ώστε να ισχύει 0T kT , τότε θα υπάρχει k
τέτοιος, ώστε να ισχύει 0 0( 1)kT T k T , οπότε θα ισχύει 0 00 T kT T .
Αυτό, όμως, είναι άτοπο, διότι, λόγω του 1ου λήμματος, ο αριθμός
0T T kT είναι μια θετική περίοδος της f και δεν μπορεί να είναι
μικρότερη από την ελάχιστη θετική περιόδο αυτής.
2. Για να αποδείξουμε ότι το σύνολο P των περιόδων της συνάρτησης f είναι
πυκνό υποσύνολο του , αρκεί να αποδείξουμε ότι για οποιαδήποτε , ,α β
με α β , υπάρχει περίοδος TP τέτοια, ώστε να ισχύει ( , )T α β ή αρκεί να
αποδείξουμε ότι υπάρχει όρος mT της ακολουθίας ( )nT του 2ου λήμματος και
ακέραιος 0k τέτοιοι, ώστε να ισχύει
( , )mT kT α β (3)
Για να ισχύει η (3), αρκεί ,
m m
k
T T
α β
. Για να ισχύει, όμως αυτό, αρκεί το
πλάτος
mT
β α
του διαστήματος Δ να είναι μεγαλύτερο του 2, δηλαδή αρκεί να
ισχύει
2
mT
β α
. Κάτι τέτοιο, όμως, ισχύει, αφού lim 0n
n
T
.
Ακολουθώντας την αντίστροφη πορεία του παραπάνω σκεπτικού, επειδή
lim 0n
n
T
, έχουμε ότι υπάρχει όρος mT της ακολουθίας ( )nT τέτοιος, ώστε να
ισχύει
2
mT
β α
, οπότε το πλάτος
mT
β α
του διαστήματος ,
m mT T
α β
θα είναι
μεγαλύτερο του 2. Συνεπώς θα υπάρχει ακέραιος 0k τέτοιος, ώστε να
ισχύει ,
m m
k
T T
α β
, οπότε θα ισχύει η (3) , που ήταν το ζητούμενο και έτσι
η απόδειξη ολοκληρώθηκε.
ΣΧΟΛΙΟ:
Στην περίπτωση που το πεδίο ορισμού A της συνάρτησης f δεν έχει
μεμονωμένα σημεία (όπως είναι, για παράδειγμα, τα πεδία ορισμού των
συναρτήσεων y xημ , y xσυν , y xεφ και y xσφ ), το 1ο μέρος της
14.01.2019 Αποκλειστικά στο lisari.blogspot.gr Page 20 of 21
21.
Γιώργος Χαρ. Πολύζος,τ. Μόνιμος Πάρεδρος του Π.Ι. 4/4
πρότασης που αφορά στην ύπαρξη βασικής περιόδου, μπορούμε να το
αποδείξουμε και ως εξής:
Υποθέτουμε ότι η συνάρτηση f δεν έχει βασική περίοδο και θα καταλήξουμε
σε άτοπο, αποδεικνύοντας ότι η f είναι σταθερή, που αντίκειται στην
υπόθεση.
Πράγματι, για να αποδείξουμε ότι η συνάρτηση f είναι σταθερή, αρκεί να
αποδείξουμε ότι για κάθε 0x A ισχύει 0( ) (0)f x f . Έστω τυχαίο 0x A .
Επειδή η f είναι συνεχής, θα ισχύει
0
0lim ( ) ( )
x x
f x f x
, οπότε θα έχουμε ότι:
0lim ( ) ( )n
n
f x f x
, για κάθε ακολουθία ( )nx , με 0lim n
n
x x
(4)
Αν σκεφτούμε με τον ίδιο τρόπο, όπως στην απόδειξη του 1ου μέρους της
πρότασης, παίρνοντας αντί για 0δ το τυχαί
1
, γι οα n
n
, επειδή
lim 0n
n
T
, υπάρχει όρος nmT της ακολουθίας ( )nT τέτοιος, ώστε να ισχύει
1
nmT
n
, οπότε θα υπάρχει nk
τέτοιος, ώστε να ισχύει
0 0
1 1
,nn n mx k T x x
n n
. Όμως, λόγω του 1ου λήμματος, ισχύει nx P .
Αποδείξαμε, δηλαδή ότι υπάρχει ακολουθία ( )nx περιόδων της f με:
0 0
1 1
nx x x
n n
, για κάθε n
.
Τότε, όμως, θα ισχύει:
0lim n
n
x x
και ( ) (0)nf x f , (5)
οπότε, λόγω των (4) και (5), θα ισχύει:
(4) (5)
0( ) lim ( ) lim (0) 0n
n n
f x f x f
.
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ:
1. W. J. Kaczor, M. T. Nowak, Problems in mathematical analysis 2. Continuity and
differentiation, American Mathematical Society (2001)
2. G.N. Yakovlev, D. Sc, High School Mathematics, Mir. Publishers- Moscow 1985
14.01.2019 Αποκλειστικά στο lisari.blogspot.gr Page 21 of 21