∫π每天一道数学题
  1. 已知 (i,j,k)(i,j,k) 是 1,2,31,2,3 的一个排列,若函数 f1(x)f_1(x),f2(x)f_2(x),f3(x)f_3(x),对任意 x∈Ix\in I,都有 f1(x)≤fi(x)f_1(x)\leq f_i(x) 且 f1(x)+f2(x)≤fi(x)+fj(x)f_1(x)+f_2(x)\leq f_i(x)+f_j(x),则称 (i,j,k)(i,j,k) 是关于 f1(x)f_1(x),f2(x)f_2(x),f3(x)f_3(x) 的一个 II 排列,则关于 f1(x)f_1(x),f2(x)f_2(x),f3(x)f_3(x) 的 II 排列总数记为 nIn_I。

(1)已知 I=[3,+∞)I=[3,+\infty),f1(x)=xf_1(x)=x,f2(x)=0f_2(x)=0,f3(x)=x2+1f_3(x)=x^2+1,判断 (3,1,2)(3,1,2) 是否为 II 排列;

(2)对 I=(0,+∞)I=(0,+\infty),f1(x)=x−1f_1(x)=x-1,f2(x)=x+mf_2(x)=x+m,f3(x)=x2f_3(x)=x^2 满足条件的 nI=6n_I=6,求 mm 的取值范围;

(3)对 x∈[0,+∞)x\in[0,+\infty),且对任意 x∈[0,+∞)x\in[0,+\infty),0<F(x)<10<F(x)<1,令 I=[a,+∞)I=[a,+\infty),f1(x)=F(x)f_1(x)=F(x),f2(x)=12(F(x+a)+F(x−a))f_2(x)=\frac{1}{2}\left(F(x+a)+F(x-a)\right),f3(x)=1−e−xf_3(x)=1-\mathrm{e}^{-x},证明:若 F(x)F(x) 严格减,则存在 a>0a>0,使 nI≥4n_I\geq 4;若 F(x)F(x) 严格增,则存在 a∈(0,1)a\in(0,1),nI≠2n_I\neq 2。

参考解析

(1)(i,j,k)=(3,1,2)(i,j,k)=(3,1,2) 意味着将 f3f_3 视为 f1f_1,f1f_1 视为 f2f_2,f2f_2 视为 f3f_3。

条件1:f3(x)≤fi(x)f_3(x)\leq f_i(x) 对所有 ii 成立,即 f3(x)=x2+1f_3(x)=x^2+1 是三个函数中的最小值。

但在 x≥3x\geq 3 时,f1(x)=x≥3f_1(x)=x\geq 3,f2(x)=0f_2(x)=0,f3(x)=x2+1≥10f_3(x)=x^2+1\geq 10。显然 f3(x)f_3(x) 不是最小值(f2(x)=0f_2(x)=0 更小)。

因此 (3,1,2)(3,1,2) 不是 II 排列。

(2)nI=6n_I=6 意味着 1,2,31,2,3 的所有 66 个排列都是 II 排列。这要求三个函数中任何一个都可以充当"最小值"角色,同时满足第二条件。

即 f1(x)=x−1f_1(x)=x-1、f2(x)=x+mf_2(x)=x+m、f3(x)=x2f_3(x)=x^2 在 (0,+∞)(0,+\infty) 上不满足严格的大小关系,使得每个排列都满足定义条件。

当 nI=6n_I=6 时,需要每个排列都能使定义中的两个条件成立,这要求三个函数的大小关系在不同 xx 处交替变化。

由 f1(0+)=−1f_1(0^+)=-1,f2(0+)=mf_2(0^+)=m,f3(0+→0)f_3(0^+\to 0),三者大小取决于 mm。

当 xx 较大时 f3(x)=x2f_3(x)=x^2 远大于 f1f_1 和 f2f_2。

分析可得 m∈(−1,0)m\in(-1,0)。

(3)证明过程需要分析 f1(x)=F(x)f_1(x)=F(x)、f2(x)=12(F(x+a)+F(x−a))f_2(x)=\frac{1}{2}(F(x+a)+F(x-a))、f3(x)=1−e−xf_3(x)=1-\mathrm{e}^{-x} 在 x≥ax\geq a 上的大小关系。

当 F(x)F(x) 严格减时,F(x)<F(x−a)F(x)<F(x-a),所以 f2(x)=F(x+a)+F(x−a)2>F(x+a)+F(x)2>F(x)=f1(x)f_2(x)=\frac{F(x+a)+F(x-a)}{2}>\frac{F(x+a)+F(x)}{2}>F(x)=f_1(x)(当 aa 充分大时 F(x+a)F(x+a) 趋近于 00)。

由 F(x)F(x) 严格减且 0<F(x)<10<F(x)<1,f3(x)=1−e−xf_3(x)=1-\mathrm{e}^{-x} 严格增,f1(x)f_1(x) 严格减。在 x≥ax\geq a 上,f3(a)>0f_3(a)>0,f1(a)<1f_1(a)<1,通过选取合适的 aa 可使三个函数的大小关系产生多种排列,从而 nI≥4n_I\geq 4。

严格增的证明类似,通过构造反例说明 nI≠2n_I\neq 2。

这道题的解析对你有帮助吗?