题目内容

已知函数y=f(x)的图象是自原点出发的一条折线.当n≤y≤n+1(n=0,1,2,…)时,该图象是斜率为bn的线段(其中正常数b≠1),该数列{xn}由f(xn)=n(n=1,2,…)定义.

(Ⅰ)求x1、x2和xn的表达式;

(Ⅱ)求f(x)的表达式,并写出其定义域;

(Ⅲ)证明:y=f(x)的图象与y=x的图象没有横坐标大于1的交点.

 

答案:
解析:

(Ⅰ)解:依题意f(0)=0,又由f(x1)=1,当0≤y≤1时,函数y=f(x)的图象是斜率为b0=1的线段,故由

=1得x1=1.

又由f(x2)=2,当1≤y≤2时,函数y=f(x)的图象是斜率为b的线段,故由

=b,即x2-x1=得x2=1+.

记x0=0,由函数y=f(x)图象中第n段线段的斜率为bn-1,故得

.

又f(xn)=n,f(xn-1)=n-1;

∴xn-xn-1=()n-1,n=1,2,….

由此知数列{xn-xn-1}为等比数列,其首项为1,公比为.

因b≠1,得xn=,

即xn=.

(Ⅱ)解:当0≤y≤1,从(Ⅰ)可知y=x,即当0≤x≤1时,f(x)=x.

当n≤y≤n+1时,即当xn≤x≤xn+1时,由(Ⅰ)可知

f(x)=n+bn(x-xn)  (xn≤x≤xn+1,n=1,2,3,…).

为求函数f(x)的定义域,须对xn=(n=1,2,3,…)进行讨论.

当b>1时,;

当0<b<1时,n→∞,xn也趋向于无穷大.

综上,当b>1时,y=f</span>(x)的定义域为[0,);

当0<b<1时,y=f(x)的定义域为[0,+∞.

(Ⅲ)证法一:首先证明当b>1,1<x<时,恒有f(x)>x成立.

用数学归纳法证明:

(ⅰ)由(Ⅱ)知当n=1时,在(1,x2]上,y=f(x)=1+b(x-1),所以f(x)-x=(x-1)(b-1)>0成立.

(ⅱ)假设n=k时在(xk,xk+1]上恒有f(x)>x成立.

可得f(xk+1)=k+1>xk+1,

在(xk+1,xk+2]上,f(x)=k+1+bk+1(x-xk+1),

所以f(x)-x=k+1+bk+1(x-xk+1)-x=(bk+1-1)(x-xk+1)+(k+1-xk+1)>0成立.

由(ⅰ)与(ⅱ)知,对所有自然数n在(xn,xn+1)上都有f(x)>x成立.

即1<x<时,恒有f(x)>x.

其次,当b<1,仿上述证明,可知当x>1时,恒有f(x)<x成立.

故函数y=f(x)的图象与y=x的图象没有横坐标大于1的交点.

证法二:首先证明当b>1,1<x<时,恒有f(x)>x成立.

对任意的x∈(1,)存在xn,使xn<x≤xn+1,

此时有f(x)-f(xn)=bn(x-xn)>x-xn(n≥1),∴f(x)-x>f(xn)-xn.

又f(xn)=n>1++…+=xn,∴f(xn)-xn>0,

∴f(x)-x>f(xn)-xn>0.

即有f(x)>x成立.

其次,当b<1,仿上述证明,可知当x>1时,恒有f(x)<x成立.

故函数f(x)的图象与y=x的图象没有横坐标大于1的交点.

 


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