Question

已知函數(shù)f（x）的圖象在[a，b]上連續(xù)不斷，定義：f₁（x）=min{f（t）|a≤t≤x}（x∈[a，b]），f₂（x）=max{f（t）|a≤t≤x}（x∈[a，b]）．其中，min{f（x）|x∈D}表示函數(shù)f（x）在D上的最小值，max{f（x）|x∈D}表示函數(shù)f（x）在D上的最大值．若存在最小正整數(shù)k，使得f₂（x）-f₁（x）≤k（x-a）對(duì)任意的x∈[a，b]成立，則稱(chēng)函數(shù)f（x）為[a，b]上的“k階收縮函數(shù)”．
（1）若f（x）=cosx，x∈[0，π]，試寫(xiě)出f₁（x），f₂（x）的表達(dá)式；
（2）已知函數(shù)f（x）=x²，x∈[-1，4]，試判斷f（x）是否為[-1，4]上的“k階收縮函數(shù)”，如果是，求出對(duì)應(yīng)的k；如果不是，請(qǐng)說(shuō)明理由；
（3）已知b＞0，函數(shù)f（x）=-x³+3x²是[0，b]上的2階收縮函數(shù)，求b的取值范圍．

Answer 1

【答案】分析：（1）根據(jù)f（x）=cosx的最大值為1，可得f₁（x）、f₂（x）的解析式．
（2）根據(jù)函數(shù)f（x）=x²在x∈[-1，4]上的值域，先寫(xiě)出f₁（x）、f₂（x）的解析式，再由f₂（x）-f₁（x）≤k（x-a）求出k的范圍得到答案．
（3）先對(duì)函數(shù)f（x）進(jìn)行求導(dǎo)判斷函數(shù)的單調(diào)性，進(jìn)而寫(xiě)出f₁（x）、f₂（x）的解析式，然后再由f₂（x）-f₁（x）≤k（x-a）求出k的范圍得到答案．
解答：解：（Ⅰ）由題意可得：f₁（x）=cosx，x∈[0，π]，f₂（x）=1，x∈[0，π]．
（Ⅱ），

當(dāng)x∈[-1，0]時(shí)，1-x²≤k（x+1），∴k≥1-x，k≥2；
當(dāng)x∈（0，1）時(shí)，1≤k（x+1），∴，∴k≥1；
當(dāng)x∈[1，4]時(shí)，x²≤k（x+1），∴，∴．
綜上所述，∴
即存在k=4，使得f（x）是[-1，4]上的4階收縮函數(shù)．

（Ⅲ）f'（x）=-3x²+6x=-3x（x-2），令f'（x）=0得x=0或x=2．

函數(shù)f（x）的變化情況如下：
令f（x）=0，解得x=0或3．

（ⅰ）b≤2時(shí)，f（x）在[0，b]上單調(diào)遞增，
因此，f₂（x）=f（x）=-x³+3x²，f₁（x）=f（0）=0．
因?yàn)閒（x）=-x³+3x²是[0，b]上的2階收縮函數(shù)，
所以，①f₂（x）-f₁（x）≤2（x-0）對(duì)x∈[0，b]恒成立；
②存在x∈[0，b]，使得f₂（x）-f₁（x）＞（x-0）成立．
①即：-x³+3x²≤2x對(duì)x∈[0，b]恒成立，
由-x³+3x²≤2x，解得：0≤x≤1或x≥2，
要使-x³+3x²≤2x對(duì)x∈[0，b]恒成立，需且只需0＜b≤1．
②即：存在x∈[0，b]，使得x（x²-3x+1）＜0成立．
由x（x²-3x+1）＜0得：x＜0或，
所以，需且只需．
綜合①②可得：．

（ⅱ）當(dāng)b＞2時(shí)，顯然有，由于f（x）在[0，2]上單調(diào)遞增，
根據(jù)定義可得：，，
可得，
此時(shí)，f₂（x）-f₁（x）≤2（x-0）不成立．
綜合ⅰ）ⅱ）可得：．
注：在ⅱ）中只要取區(qū)間（1，2）內(nèi)的一個(gè)數(shù)來(lái)構(gòu)造反例均可，這里用只是因?yàn)楹?jiǎn)單而已．
點(diǎn)評(píng)：本題主要考查學(xué)生的對(duì)新問(wèn)題的接受、分析和解決的能力．要求學(xué)生要有很扎實(shí)的基本功才能作對(duì)這類(lèi)問(wèn)題．