若函数 $ h\left(x\right) $ 满足 ① $ h\left(0\right)=1,h\left(1\right)=0 $;② 对任意 $ a\in \left[0,1\right] $,有 $ h\left(h\left(a\right)\right)=a $;③ 在 $ \left(0,1\right) $ 上单调递减.则称 $ h\left(x\right) $ 为补函数.已知函数 $ h\left(x\right)= \left({\dfrac{1-x^p}{1+\lambda x^p}} \right)^{\frac{1}{p}}\left(\lambda >-1,p>0\right) $.
【难度】
【出处】
2012年高考江西卷(理)
【标注】
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判断函数 $ h\left(x\right) $ 是否为补函数,并证明你的结论;标注答案解析函数 $ h\left(x\right) $ 是补函数.证明如下:
①\[\begin{split} h\left(0\right) &= \left({\dfrac{1-0}{1+0}} \right)^{\frac{1}{p}}=1, h\left(1\right)& = \left({\dfrac{1-1}{1+\lambda }} \right)^{\frac{1}{p}}=0,\end{split} \]② 对任意 $ a \in \left[0,1\right] $ 有\[ \begin{split}h\left(h\left(a\right)\right) &=h\left( \left({\dfrac{1-a^p}{1+\lambda a^p}}\right)^ {\frac{1}{p}}\right) = \left[\dfrac{1- \dfrac{1-a^p}{1+\lambda a^p}} {1+\lambda {\dfrac{1-a^p}{1+\lambda a^p}}}\right]^ {\frac{1}{p}}\\&= \left({\dfrac{\left(1+\lambda \right)a^p}{1+\lambda }} \right)^{\frac{1}{p}}\\&=a ,\end{split}\]③ 令 $ g\left(x\right)=\left(h\left(x\right)\right)^p $,有\[\begin{split} g'\left(x\right)&={\dfrac{-px^{p-1}\left(1+\lambda x^p\right)-\left(1-x^p\right)\lambda px^{p-1}}{\left(1+\lambda x^p\right)^2}}={\dfrac{-p\left(1+\lambda \right)x^{p-1}}{\left(1+\lambda x^p\right)^2}}. \end{split}\]因为 $ \lambda >-1,p>0 $,所以当 $ x\in \left(0,1\right) $ 时,$ g'\left(x\right)<0 $,
所以函数 $ g\left(x\right) $ 在 $ \left(0,1\right) $ 上单调递减,故函数 $ h\left(x\right) $ 在 $ \left(0,1\right) $ 上单调递减. -
若存在 $ m\in \left[0,1\right] $,使 $ h\left(m\right)=m $,称 $ m $ 是函数 $ h\left(x\right) $ 的中介元.记 $ p={\dfrac{1}{n}}\left(n\in {\mathbb{N}}_+\right) $ 时 $ h\left(x\right) $ 的中介元为 $ x_n $,且 $\displaystyle S_n=\sum \limits _{i=1 }^nx_i$,若对任意的 $ n\in {\mathbb{N}}_+$,都有 $ S_n<{\dfrac{1}{2}} $,求 $ \lambda $ 的取值范围;标注答案解析当 $ p={\dfrac{1}{n}}\left(n\in {\mathbb{N}}_+\right) $ 时,由 $ h\left(x\right)=x, $ 得\[ \lambda x^{\frac{2}{n}}+2x^{\frac{1}{n}}-1=0,\cdots \left(*\right) \](ⅰ)当 $ \lambda =0 $ 时,中介元\[ x_n= \left({\dfrac{1}{2}} \right)^n;\]此时,$S_1=\dfrac 12$ 不满足条件;
(ⅱ)当 $ \lambda >-1 $ 且 $ \lambda \neq 0 $ 时,由 $ \left(*\right) $ 得\[ x^{\frac{1}{n}}={\dfrac{1}{{\sqrt{1+\lambda }}+1}}\in\left(0,1\right)或
x^{\frac{1}{n}}={\dfrac{1}{1-{\sqrt{1+\lambda }}}}\notin\left[0,1\right], \]得中介元\[ x_n= \left({\dfrac{1}{{\sqrt{1+\lambda }}+1}} \right)^n ,\]因为 $\left\{x_n\right\}$ 构成以 $\dfrac{1}{\sqrt{1+\lambda}+1}$ 为首项,以 $\dfrac{1}{\sqrt{1+\lambda}+1}$ 为公比的等比数列,所以\[S_n=\dfrac{\dfrac{1}{\sqrt{1+\lambda}+1}\left[1-\left(\dfrac{1}{\sqrt{1+\lambda}+1}\right)^n\right]}{1-\dfrac{1}{\sqrt{1+\lambda}+1}}=\dfrac{1}{\sqrt{1+\lambda}}\left[1-\left(\dfrac{1}{\sqrt{1+\lambda}+1}\right)^n\right].\]而 $\dfrac{1}{\sqrt{1+\lambda}+1}\in\left(0,1\right)$,所以 $S_n$ 的最大值趋于 $\dfrac{1}{\sqrt{1+\lambda}}$,
所以有 $\dfrac{1}{\sqrt{1+\lambda}}\leqslant \dfrac 12$,解得 $\lambda\geqslant 3$. -
当 $ \lambda =0,x\in \left(0,1\right) $ 时,函数 $ y=h\left(x\right) $ 的图象总在直线 $ y=1-x $ 的上方,求 $ p $ 的取值范围.标注答案解析当 $\lambda =0 $ 时,$h\left(x\right)=\left(1-x^p\right)^ {\frac{1}{p}} $,中介元是 $x_p=\left(\dfrac12\right)^ {\frac{1}{p}} $,
① 当 $0<p\leqslant1$ 时,$\dfrac 1p \geqslant 1 $,中介元为 $ x_p=\left(\dfrac12\right)^ {\frac{1}{p}} \leqslant \dfrac12$,
所以点 $\left(x_p,h\left(x_p\right)\right) $ 不在直线 $ y=1-x $ 的上方,不符合条件;
② 当 $ p>1$ 时,依题意只需 $ \left(1-x^p\right)^\frac 1p>1-x$ 在 $x \in\left(0,1\right) $ 时恒成立,
也即 $x^p+\left(1-x\right)^p<1 $ 在 $x \in\left(0,1\right) $ 时恒成立,
设 $ \psi\left(x\right)=x^p+\left(1-x\right)^p,x \in \left[0,1\right]$,则\[ \psi '\left(x\right)=p\left[x^{p-1}-\left(1-x\right)^{p-1}\right],\]由 $ \psi '\left(x\right)=0$ 可得 $x=\dfrac12 $,且当 $x \in \left(0,\dfrac12\right) $ 时,$ \psi '\left(x\right)<0 $,
当 $x \in \left(\dfrac12,1\right) $ 时,$ \psi '\left(x\right)>0 $,又因为 $\psi\left(0\right)= \psi\left(1\right)=1$,
所以当 $ x \in \left(0,1\right)$ 时,$\psi\left(x\right)<1 $ 恒成立.
综上,$ p $ 的取值范围为 $ \left(1,+\infty\right) $.
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