题目内容

5.已知函数f(x)的定义域为(0,+∞),若y=$\frac{f(x)}{x}$在(0,+∞)上为增函数,则称f(x)为“一阶比增函数”;若y=$\frac{f(x)}{{x}^{2}}$在(0,+∞)上增函数,则称f(x)为“二阶比增函数”.
我们把所有“一阶比增函数”组成的集合记为A,所有“二阶比增函数”组成的集合记为B.
(1)设函数f(x)=ax3-2(a-2)x2+(a-1)x(x>0,a∈R)
①求证:当a=0时,f(x)∈A∩B;
②若f(x)∈A,且f(x)∉B,求实数a的取值范围.
(2)对定义在(0,+∞)上的函数f(x),若f(x)∈B,且存在常数k使得?x∈(0,+∞),f(x)<k,求证:f(x)<0.

分析 (1)①当a=0时,y=$\frac{f(x)}{x}$=4x-1在(0,+∞)上为增函数;y=$\frac{f(x)}{{x}^{2}}$=4-$\frac{1}{x}$在(0,+∞)上为增函数,即可证明f(x)∈A∩B;
②若f(x)∈A,且f(x)∉B,分别求出a的范围,求交集,即可求实数a的取值范围;
(2)利用反证法先证明f(x)≤0对任意的x∈(0,+∞)成立,再证明f(x)=0在(0,+∞)上无解,从而可是当f(x)∈B时,对任意的x∈(0,+∞),都有f(x)<0成立.

解答 (1)①证明:当a=0时,f(x)=4x2-x(x>0),
则y=$\frac{f(x)}{x}$=4x-1在(0,+∞)上为增函数;y=$\frac{f(x)}{{x}^{2}}$=4-$\frac{1}{x}$在(0,+∞)上为增函数,
∴f(x)∈A∩B;
②解:y=$\frac{f(x)}{x}$=ax2-2(a-2)x+(a-1)在(0,+∞)上为增函数,则$\left\{\begin{array}{l}{a>0}\\{\frac{2(a-2)}{2a}≤0}\end{array}\right.$,∴0<a≤2;
y=$\frac{f(x)}{{x}^{2}}$=ax-2(a-2)+$\frac{a-1}{x}$在(0,+∞)上为增函数,y′=a-$\frac{a-1}{{x}^{2}}$≥0在(0,+∞)上恒成立,
∴0≤a≤1,
∴0<a≤1;
(2)证明:假设存在x0∈(0,+∞),使得f(x0)>0,
记$\frac{f({x}_{0})}{{{x}_{0}}^{2}}$=m>0,因为f(x)∈B,所以f(x)为“二阶比增函数”,
即y=$\frac{f(x)}{{x}^{2}}$是增函数,
所以当x>x0>0时,$\frac{f(x)}{{x}^{2}}$>$\frac{f({x}_{0})}{{{x}_{0}}^{2}}$=m,即f(x)>mx2;
所以一定存在x1>x0>0,使得f(x1)>mx12>k成立,
这与f(x)<k对任意的x∈(0,+∞)成立矛盾,
所以f(x)≤0对任意的x∈(0,+∞)都成立;
再证明f(x)=0在(0,+∞)上无解,
假设存在x2>0,使得f(x2)=0;
∵f(x)为“二阶比增函数”,即y=$\frac{f(x)}{{x}^{2}}$是增函数,
∴一定存在x3>x2>0,使得$\frac{f({x}_{3})}{{{x}_{3}}^{2}}$>$\frac{f({x}_{2})}{{{x}_{2}}^{2}}$=0成立,
这与上述的证明结果矛盾.
所以f(x)=0在(0,+∞)上无解,
综上所述,当f(x)∈B时,对任意的x∈(0,+∞),都有f(x)<0成立

点评 本题考查了学生对新定义的接受与转化运用的能力,同时考查了导数的综合应用,属于难题.

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