构造特殊函数,巧判函数单调

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  研读了《中学数学教学参考》2013年第3期的《浅谈抽象函数问题的一种切入思路》,笔者很有收获。经过再次思考,发现还有一种切入思路,先看下面一道习题。
  题目:已知[f(x)]是定义在[(0,+∞)]上的连续函数,且①[f(2)=1] ②对[?x∈(0,+∞),y∈R],恒有[f(xy)=yf(x)]③当[x∈(0,1)]时,有[f(x)<0]
  (Ⅰ)求证:[f(4)=2]
  (Ⅱ)求证:[f(x)]在[(0,+∞)]上单调递增
  分析:抽象函数是指没有给出确切解析式,只给出其满足的一些条件的函数。此类函数单调性的判断难度较大,需紧扣函数定义,对条件进行适当转化,便能解决问题。
  思路1:(Ⅰ)略
  (Ⅱ)任取[x1,x2∈(1,+∞)]且[x11)],使得[x2=x1t]
  [f(x1)-f(x2)=f(x1)-f(x1t)=f(x1)-tf(x1)=(1-t)f(x1)]
  当[x>1]时,[x-1=1x<1] 所以当[x>1]时[f(x)=-f(x-1)>0]
  又因为[t>1]所以[(1-t)f(x1)<0]
  所以[f(x)]在[(1,+∞)]上单调递增
  任取[x1,x2∈(0,1)] 且[x1  [f(x1)-f(x2)=f(x1)-f(x1m)=f(x1)-mf(x1)=(1-m)f(x1)<0]
  所以[f(x)]在[(0,1)]上单调递增
  又因为[f(x)]是定义在[(0,+∞)]上的连续函数
  所以[f(x)]在[(0,+∞)]上单调递增
  思路2:令[g(x)=2x]
  任取[x1,x2∈(0,+∞)]且[x1  [g(t1)=x1,g(t2)=x2],且[t1  [f(x1)-f(x2)=f(2t1)-f(2t2)=t1f(2)-t2f(2)=(t1-t2)f(2)]
  因为[t1  所以[f(x)]在[(0,+∞)]上单调递增。
  点评:思路[2]巧妙地构造了指数函数[g(x)=2x],充分利用了条件①② ,避免了思路[1]的繁琐讨论。思路[2]也说明了条件③是多余的,其实由条件①②可以得到条件③。另外,思路[2]构造了指数函数[g(x)=2x],因为题中的[f(x)]的“原型”可以是对数函数,那么,对于“原型”是其它函数类型的抽象函数,这种构造法是否可以呢?
  变式1:已知[f(x)]是定义在[(0,+∞)]上的函数,若存在[a∈(1,+∞)],满足[f(a)<0],且对任意实数[x,y]都有[f(xy)=yf(x)],试判断函数[f(x)]的单调性并说明理由。
  解:任取[x1,x2∈(0,+∞)],且[x1  则存在[t1,t2]且[t1  [f(x1)-f(x2)=f(at1)-f(at2)=t1f(a)-t2f(a)=(t1-t2)f(a)]
  因为[t10] 即 [f(x1)>f(x2)]
  所以[f(x)]在[(0,+∞)]上单调递减。
  点评:本题是上题的一般化。
  变式2:已知[f(x)]是定义在[(0,+∞)]上的函数,若存在[a∈(1,+∞)],满足[f(a)>1],且对任意实数[x,y]都有[f(xy)=f(x)y],试判断函数[f(x)]的单调性并说明理由。
  解:任取[x1,x2∈(0,+∞)],且[x1  则存在[t1,t2]使得[g(t1)=x1,g(t2)=x2],且[t1  [f(x1)-f(x2)=f(at1)-f(at2)=f(a)t1-f(a)t2]
  因为[t11],所以[f(a)t1-f(a)t2<0] 即 [f(x1)  所以[f(x)]在[R]上单调递增
  点评:对于[f(xy)=yf(x)]或[f(xy)=f(x)y]两种类型的抽象函数,其“原型”是对数函数和指数函数,可以构造指数函数,结合单调性定义进行求解。
  变式3:已知[f(x)]是定义在[R]上的函数,若存在[a∈(0,+∞)],满足[f(a)>0],且对任意实数[x,k]都有[f(kx)=kf(x)],试判断函数[f(x)]的单调性并说明理由。
  解:任取[x1,x2∈R],且[x1  则存在[t1,t2]使得[g(t1)=x1,g(t2)=x2],且[t1  [f(x1)-f(x2)=f(at1)-f(at2)=t1f(a)-t2f(a)=(t1-t2)f(a)]
  因为[t10],所以[(t1-t2)f(a)<0] 即 [f(x1)  所以[f(x)]在[R]上单调递增。
  变式4:已知[f(x)]是定义在[R]上的函数,若存在[a∈(0,+∞)],满足[f(a)>1],且对任意实数[x,k]都有[f(kx)=f(x)k],试判断函数[f(x)]的单调性并说明理由。
  解:任取[x1,x2∈R],且[x1  则存在[t1,t2]使得[g(t1)=x1,g(t2)=x2],且[t1  [f(x1)-f(x2)=f(at1)-f(at2)=f(a)t1-f(a)t2]
  因为[t11],所以[f(a)t1-f(a)t2<0] 即 [f(x1)  所以[f(x)]在[R]上单调递增。
  点评:对于[f(kx)=kf(x)]或[f(kx)=f(x)k]两种类型的抽象函数,其“原型”是一次函数和幂函数,可以构造一次函数,结合单调性定义进行求解。
  总之,抽象函数单调性问题,往往结合单调性定义,利用作差或作商进行求解。但在求解过程中,经常需对题设进行转化,根据函数“原型”构造函数是其中一种有效的转化方法。
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