设函数 f ( x )的定义域为 M ,具有性质 P :对任意 x ∈ M ,都有 f ( x )+ f ( x +2)

设函数 f ( x )的定义域为 M ,具有性质 P :对任意 x M ,都有 f ( x )+ f ( x +2)≤2 f ( x +1).
(1)若 M 为实数集R,是否存在函数 f ( x )= a x ( a >0且 a ≠1, x ∈R) 具有性质 P ,并说明理由;
(2)若 M 为自然数集N,并满足对任意 x M ,都有 f ( x )∈N. 记 d ( x )= f ( x +1)- f ( x ).
(ⅰ) 求证:对任意 x M ,都有 d ( x +1)≤ d ( x )且 d ( x )≥0;
(ⅱ) 求证:存在整数0≤ c d (1)及无穷多个正整数 n ,满足 d ( n )= c .
涌上心头 2024-08-08 悬赏7金币 已收到1个回答

manqian123

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解题思路:证明:(1)因 f ( x )= a x ( a >0且 a ≠1),所以 a x ≠ a x +2 ,即 f ( x )≠ f ( x +2).
2分
由题设以及算术平均与几何平均不等式,得
f ( x )+ f ( x +2)= a x + a x +2 >2 =2 a x +1 =2 f ( x +1),
这与 f ( x )+ f ( x +2)≤2 f ( x +1)矛盾.
故不存在函数 f ( x )= a x ( a >0且 a ≠1)满足性质 P .                         4分
(2)(ⅰ)由题设对任意 , f ( x )+ f ( x +2)≤2 f ( x +1),所以
f ( x +2)- f ( x +1)≤ f ( x +1)- f ( x ).
于是对任意 x ∈N, d ( x +1)≤ d ( x ).                                     6分
下面用反证法证明:对任意 x ∈N, d ( x )≥0.
假设存在某个非负整数 k 使 d ( k )<0,则由题设对任意 x ∈N, f ( x )∈N,得 d ( x )∈Z,于是有 d ( k )≤-1.                                                    8分
由任意 x ∈N, d ( x +1)≤ d ( x ),所以-1≥ d ( k )≥ d ( k +1)≥ d ( k +2)≥ ≥ d ( k + n )≥ .,这里 n 是自然数. 于是有
d ( k + n )+ d ( k +( n -1))+ d ( k +( n -2))+ + d ( k )≤( n +1) d ( k )≤( n +1)×(-1).
而 d ( k + n )+ d ( k +( n -1))+ d ( k +( n -2))+ + d ( k )= f ( k + n +1)- f ( k ),
所以 f ( k + n +1)- f ( k )≤-( n +1).
取 n = f ( k ),得 f ( k + f ( k )+1)≤- f ( k )-1+ f ( k )=-1,这与 f ( k + f ( k )+1)∈N矛盾.
因此,必有对任意 x ∈N, d ( x )≥0.                                  12分
(ⅱ)由(ⅰ)可知 d (1)≥ d (2)≥ d (3)≥ ≥ d ( n )≥ ≥0.
当 d (1)=0时,则有 d (1)= d (2)= d (3)= = d ( n )=0,结论成立.
当 d (1)≠0时,对任意 n ∈N,有 d ( n ) ∈N,且 d ( n ) ∈[0, d (1)].
因为在区间[0, d (1)]上的自然数只有有限个,而落在此区间上的自然数 d ( n )有无数多个,所以,必存在自然数 c ∈[0, d (1)]和无穷多个正整数 n ,满足 d ( n )= c .       16分

(1)根据新定义可知,不存在函数 f ( x )= a x ( a >0且 a ≠1)满足性质 P .

(2)运用反证法来证明正难则反的试题。也是证明不等式常用的方法之一。



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