设函数 $ f\left(x\right) =\begin{cases}
\dfrac{1}{a}x,&0 \leqslant x \leqslant a, \\
\dfrac{1}{1 - a}\left(1 - x\right),&a < x \leqslant 1, \\
\end{cases}$ $a$ 为常数且 $a \in \left(0,1\right)$.
\dfrac{1}{a}x,&0 \leqslant x \leqslant a, \\
\dfrac{1}{1 - a}\left(1 - x\right),&a < x \leqslant 1, \\
\end{cases}$ $a$ 为常数且 $a \in \left(0,1\right)$.
【难度】
【出处】
2013年高考江西卷(文)
【标注】
-
当 $a = \dfrac{1}{2}$ 时,求 $f\left( {f\left( {\dfrac{1}{3}} \right)} \right)$;标注答案$ f\left( {f\left( {\dfrac{1}{3}} \right)} \right) = \dfrac{2}{3} $.解析本题考查复合函数和分段函数的求值,当 $a = \dfrac{1}{2}$ 时,根据所给的函数解析式直接求值即可.当 $a = \dfrac{1}{2}$ 时,$f\left( {\dfrac{1}{3}} \right) = \dfrac{2}{3} $,所以\[\begin{split}f\left( {f\left( {\dfrac{1}{3}} \right)} \right)&\overset {\left[a\right]} = f\left( {\dfrac{2}{3}} \right)\\& = 2\left( {1 - \dfrac{2}{3}} \right) = \dfrac{2}{3}.\end{split}\](推导中用到 $ \left[a\right]$.)
-
若 ${x_0}$ 满足 $f\left(f\left({x_0}\right)\right) = {x_0}$,但 $f\left({x_0}\right) \ne {x_0}$,则称 ${x_0}$ 为 $f\left(x\right)$ 的二阶周期点,证明:函数 $f\left(x\right)$ 有且仅有两个二阶周期点,并求出二阶周期点 ${x_1}$,${x_2}$;标注答案函数 $f\left(x\right)$ 有且仅有两个二阶周期点,为\[\begin{split} {x_1} &= \dfrac{a}{{ - {a^2} + a + 1}}, \\ {x_2} &= \dfrac{1}{{ - {a^2} + a + 1}}.\end{split} \]解析由题意,先表示 $f\left(f\left(x\right)\right)$ 的解析式,并计算 $f\left(f\left(x\right)\right)=x$ 的根,最后验证对应的根 $x_0$ 是否满足 $f\left(x_0\right)\neq x_0$ 即可.由题意,得\[ f\left(f\left(x\right)\right) = \begin{cases}\dfrac{1}{a^2}x,&0 \leqslant x \leqslant {a^2}, \\
\dfrac{1}{a\left(1 - a\right)}\left(a - x\right),&{a^2} < x \leqslant a, \\
\dfrac{1}{{{{\left(1 - a\right)}^2}}}\left(x - a\right),&a < x < {a^2} - a + 1, \\
\dfrac{1}{a\left(1 - a\right)}\left(1 - x\right),&{a^2} - a + 1 \leqslant x \leqslant 1. \\
\end{cases} \]当 $0 \leqslant x \leqslant {a^2}$时,由 $\dfrac{1}{a^2}x = x$,解得 $x = 0$.
因为 $f\left(0\right) = 0$,故 $x = 0$ 不是 $f\left(x\right)$ 的二阶周期点;
当 ${a^2} < x \leqslant a$ 时,由 $\dfrac{1}{a\left(1 - a\right)}\left(a - x\right) = x$,解得\[x = \dfrac{a}{{ - {a^2} + a + 1}} \in \left({a^2},a\right).\]因为\[\begin{split}f\left( {\dfrac{a}{{ - {a^2} + a + 1}}} \right) &= \dfrac{1}{a} \cdot \dfrac{a}{{ - {a^2} + a + 1}} \\&= \dfrac{1}{{ - {a^2} + a + 1}} \\& \ne \dfrac{a}{{ - {a^2} + a + 1}},\end{split}\]故 $x = \dfrac{a}{{ - {a^2} + a + 1}}$ 为 $f\left(x\right)$ 的二阶周期点;
当 $a < x < {a^2} - a + 1$ 时,由 $\dfrac{1}{{{{\left(1 - a\right)}^2}}}\left(x - a\right) = x$,解得\[x = \dfrac{1}{2 - a} \in \left(a,{a^2} - a + 1\right).\]因为\[\begin{split}f\left( {\dfrac{1}{2 - a}} \right) &= \dfrac{1}{1 - a} \cdot \left( {1 - \frac{1}{2 - a}} \right) \\&= \dfrac{1}{2 - a},\end{split}\]故 $x = \dfrac{1}{2 - a}$ 不是 $f\left(x\right)$ 的二阶周期点;
当 ${a^2} - a + 1 \leqslant x \leqslant 1$ 时,由 $\dfrac{1}{a\left(1 - a\right)}\left(1 - x\right) = x$,解得\[x = \dfrac{1}{{ - {a^2} + a + 1}} \in \left({a^2} - a + 1,1\right).\]因为\[ \begin{split} f\left( {\dfrac{1}{{ - {a^2} + a + 1}}} \right) &= \dfrac{1}{1 - a} \cdot \left( {1 - \dfrac{1}{{ - {a^2} + a + 1}}} \right) \\&= \dfrac{a}{{ - {a^2} + a + 1}} \\& \ne \dfrac{1}{{ - {a^2} + a + 1}} ,\end{split} \]故 $x = \dfrac{1}{{ - {a^2} + a + 1}}$ 为 $f\left(x\right)$ 的二阶周期点.
因此,函数 $f\left(x\right)$ 有且仅有两个二阶周期点,\[\begin{split} {x_1} &= \dfrac{a}{{ - {a^2} + a + 1}}, \\ {x_2} &= \dfrac{1}{{ - {a^2} + a + 1}}.\end{split} \] -
对于(2)中的 ${x_1}$,${x_2}$,设 $A\left({x_1},f\left(f\left({x_1}\right)\right)\right)$,$B\left({x_2},f\left(f\left({x_2}\right)\right)\right)$,$C\left({a^2},0\right)$,记 $\triangle ABC$ 的面积为 $S\left(a\right)$,求 $S\left(a\right)$ 在区间 $\left[ {\dfrac{1}{3},\dfrac{1}{2}} \right]$ 上的最大值和最小值.标注答案$S\left(a\right)$ 在区间 $\left[ {\dfrac{1}{3},\dfrac{1}{2}} \right]$ 上的最大值为 $ \dfrac{1}{20} $,最小值为 $ \dfrac{1}{33} $.解析先写出 $S\left(a\right)$ 的关系式,再利用导数分析函数的单调性,最后得出最小值.由(2)得\[A\left( {\dfrac{a}{{ - {a^2} + a + 1}},\dfrac{a}{{ - {a^2} + a + 1}}} \right),B\left( {\dfrac{1}{{ - {a^2} + a + 1}},\dfrac{1}{{ - {a^2} + a + 1}}} \right),\]则\[\begin{split}S\left(a\right) &= \dfrac{1}{2} \cdot \dfrac{{{a^2}\left(1 - a\right)}}{{ - {a^2} + a + 1}} ,\\ S'\left(a\right) &\overset {\left[b\right]}= \dfrac{1}{2} \cdot \dfrac{{a\left({a^3} - 2{a^2} - 2a + 2\right)}}{{{{\left( - {a^2} + a + 1\right)}^2}}},\end{split}\](推导中用到 $ \left[b\right]$.)因为 $a \in \left[ {\dfrac{1}{3},\dfrac{1}{2}} \right]$,有 ${a^2} + a < 1$,所以\[\begin{split}S'\left(a\right) &= \dfrac{1}{2} \cdot \dfrac{{a\left({a^3} - 2{a^2} - 2a + 2\right)}}{{{{\left( - {a^2} + a + 1\right)}^2}}}\\ &= \dfrac{1}{2} \cdot \dfrac{{a\left[\left(a + 1\right){{\left(a - 1\right)}^2} + \left(1 - {a^2} - a\right)\right]}}{{{{\left( - {a^2} + a + 1\right)}^2}}} \\&> 0,\end{split}\]则 $S\left(a\right)$ 在区间 $\left[ {\dfrac{1}{3},\dfrac{1}{2}} \right]$ 上单调递增,故 $S\left(a\right)$ 在区间 $\left[ {\dfrac{1}{3},\dfrac{1}{2}} \right]$ 上的最小值为\[S\left( {\dfrac{1}{3}} \right) = \dfrac{1}{33},\]最大值为\[S\left( {\dfrac{1}{2}} \right) = \dfrac{1}{20}.\]
题目
问题1
答案1
解析1
备注1
问题2
答案2
解析2
备注2
问题3
答案3
解析3
备注3