已知定义在 $[0,1]$ 上的函数 $f(x)$ 满足:
① $f(0)=f(1)=0$;
② $\forall x,y\in [0,1]$ 且 $x\neq y,\left|f(x)-f(y)\right|<\dfrac 12|x-y|$;
若对所有 $f(x)$ 均有 $\forall x,y\in [0,1],\left|f(x)-f(y)\right|<k$ 成立,则 $k$ 的最小值为 \((\qquad)\)
A: $\dfrac 12$
B: $\dfrac 14$
C: $\dfrac{1}{2\pi}$
D: $\dfrac 18$
【难度】
【出处】
【标注】
【答案】
B
【解析】
条件 ① 的含义为函数图象的端点是确定的;
条件 ② 的含义为函数图象上任意两点的斜率 $\dfrac{f(x)-f(y)}{x-y}$ 在 $\left(-\dfrac 12,\dfrac 12\right)$ 之间,也就是说函数图象的增长/减少速度是受限的;题目要求的 $k$ 的最小值也即为函数 $f(x)$ 的值域长度的最大值,由于函数图象从 $(0,0)$ 出发,最终要回到 $(1,0)$,于是考虑 $f\left(\dfrac 12\right)$.显然在区间 $\left[0,\dfrac 12\right]$ 上,函数值改变量的上界为 $\dfrac 14$.于是函数 $f(x)$ 的值域长度的最大值为 $\dfrac 14$,如图.
下面进行代数描述:
一方面,当 $f(x)$ 的图象无限接近函数$$y=\dfrac 14-\dfrac 12\left|\dfrac 12-x\right|, x\in [0,1]$$的图象时,函数 $f(x)$ 的值域长度无限接近于 $\dfrac 14$;
另一方面,若 $f(x)$ 的值域长度大于或等于 $\dfrac 14$,则必然存在 $m\in (0,1)$ 使得$$\left|f(m)\right|\geqslant \dfrac 14,$$此时若 $m\in\left(0,\dfrac 12\right]$,则令 $x=m$ 且 $y=0$ 即可推出$$\left|f(m)-f(0)\right|<\dfrac 12\left|m-0\right|,$$矛盾.
类似的,当 $m\in\left(\dfrac 12,1\right)$,可以令 $x=m$ 且 $y=1$ 推出矛盾.
因此所求的 $k$ 的最小值为 $\dfrac 14$.
题目 答案 解析 备注
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