(本小题满分 14 分)若函数 h(x) 满足 (1) h…——2012 高考数学第 20 题答案解析

2012_退役省自主命题 (2012·理)

2012 全国 第 20 题 解答题 区分题
2012_退役省自主命题 (2012·理)

21.(本小题满分 14 分)若函数 $h(x)$ 满足
(1)$h(0)=1, h(1)=0$ ;
(2)对任意 $a \in[0,1]$ ,有 $\mathrm{h}(\mathrm{h}(\mathrm{a}))=\mathrm{a}$ ;
(3)在 $(0,1)$ 上单调递减。

则称 $\mathrm{h}(\mathrm{x})$ 为补函数。已知函数 $h(x)=\left(\frac{1-x^{p}}{1+\lambda x^{p}}\right)^{\frac{1}{p}}(\lambda>-1, p>0)$ 。
(1)判断函数 $h(x)$ 是否为补函数,并证明你的结论;
(2)若存在 $m \in[0,1]$ ,使得 $h(m)=m$ ,若 $m$ 是函数 $h(x)$ 的中介元,记 $p=\frac{1}{n}(n \in N)$ 时 $h(x)$的中介元为 $\mathrm{x}_{\mathrm{n}}$ ,且 $S_{\mathrm{n}}=\sum_{\mathrm{n}-1}^{\mathrm{n}} \mathrm{x}_{1}$ ,若对任意的 $n \in N_{+}$,都有 $\mathrm{S}_{\mathrm{n}}<\frac{1}{2}$ ,求 $\lambda$ 的取值范围;
(3)当 $\lambda=0, x \in(0,1)$ 时,函数 $\mathrm{y}=\mathrm{h}(\mathrm{x})$ 的图像总在直线 $\mathrm{y}=1-\mathrm{x}$ 的上方,求 P 的取值范围。

参考答案(1) 补函数; (2) $\lambda \in[3,+\infty)$; (3) $(1,+\infty)$ .

完整解析 · 逐步详解

【答案】:(1)补函数②$\lambda \in[3,+\infty)$③$(1,+\infty)$ .
【解析】:(1)函数 $h(x)$ 是补函数,证明如下:
(1)$h(0)=\left(\frac{1-0}{1+0}\right)^{\frac{1}{p}}=1, h(1)=\left(\frac{1-1}{1+\lambda}\right)^{\frac{1}{p}}=0$ ;
(2)任意 $a \in[0,1]$ ,有 $h\left(h(a)=h\left(\left(\frac{1-a^{p}}{1+\lambda a^{p}}\right)^{\frac{1}{p}}\right)=\left(\frac{1-\frac{1-a^{p}}{1+\lambda a^{p}}}{1+\lambda \frac{1-a^{p}}{1+\lambda a^{p}}}\right)=\left(\frac{(1+\lambda) a^{p}}{1+\lambda}\right)^{\frac{1}{p}}=a\right.$ ;
③$g(x)=(h(x))^{p}$ ,有 $g^{\prime}(x)=\frac{-p x^{p-1}\left(1+\lambda x^{p}\right)-\left(1-x^{p}\right) \lambda p x^{p-1}}{\left(1+\lambda x^{p}\right)^{2}}=\frac{-p(1+\lambda) x^{p-1}}{\left(1+\lambda x^{p}\right)^{2}}$因为 $\lambda>-1, p>0$ ,所以当 $x \in(0,1)$ 时,$g^{\prime}(\mathrm{x})<0$ ,所以函数 $g(x)$ 在 $(0,1)$ 上单调速减,故函数 $h(x)$ 在 $(0,1)$ 上单调迷减。
(2)当 $p=\frac{1}{n}\left(n \in N_{*}\right)$ ,由 $h(x)=x$ ,得:$\lambda x^{\frac{2}{n}}+2 x^{\frac{1}{n}}-1=0 \cdots \cdots(*)$ ,
(i)当 $\lambda=0$ 时,中介元 $x_{n}=\left(\frac{1}{2}\right)^{n}$ ;
(ii)当 $\lambda>-1$ 且 $\lambda \neq 0$ 时,由 $(*)$ 得 $\mathrm{x}^{\frac{1}{n}}=\frac{1}{\sqrt{1+\lambda}+1} \in(0,1)$ 或 $\mathrm{x}^{\frac{1}{n}}=\frac{1}{1-\sqrt{1+\lambda}} \notin[0,1]$ ;

得中介元 $x_{n}=\left(\frac{1}{\sqrt{1+\lambda}+1}\right)^{n}$ .

综合(i)(ii);对任意的 $\lambda>-1$ ,中介元为 $x_{n}=\left(\frac{1}{\sqrt{1+\lambda}+1}\right)\left(n \in N_{0}\right)$ ,
于是,当 $\lambda>-1$ 时,有 $S_{n}=\sum_{i=1}^{n}\left(\frac{1}{\sqrt{1+\lambda}+1}\right)^{i}=\frac{1}{\sqrt{1+\lambda}}\left(1-\left(\frac{1}{\sqrt{1+\lambda}+1}\right)^{n}\right)<\frac{1}{\sqrt{1+\lambda}}$ ,
当 $n$ 无限增大时,$\left(\frac{1}{\sqrt{1+\lambda}+1}\right)^{n}$ 无限接近于 $0, S_{n}$ 无限接近于 $\frac{1}{\sqrt{1+\lambda}}$ ,
故对任意的 $n \in N_{o}, S_{n}<\frac{1}{2}$ 成立等价于 $\frac{1}{\sqrt{1+\lambda}} \leq \frac{1}{2}$ ,即 $\lambda \in[3,+\infty)$ 。
(3)当 $\lambda=0$ 时,$h(x)=\left(1-x^{p}\right)^{\frac{1}{p}}$ ,中介元为 $x_{p}=\left(\frac{1}{2}\right)^{\frac{1}{p}}$ ,
(i)当 $0

所以点 $\left(x_{p}, h\left(x_{p}\right)\right)$ 不在直线 $y=1-x$ 的上方,不符合条件;
(ii)当 $p>1$ 时,依题意只须 $\left(1-x^{p}\right)^{\frac{1}{p}}>1-x$ 在 $x \in(0,1)$ 时恒成立,
也即 $x^{p}+(1+x)^{p}<1$ 在 $x \in(0,1)$ 时恒成黃,
设 $\varphi^{\prime}(x)=x^{p}+(1-x)^{p}, x \in[0,1]$ ,则 $\varphi^{\prime}(x)=p\left[x^{p-1}-(1-x)^{p-1}\right]$ ,
由 $\varphi^{\prime}(x)=0$ 得 $x=\frac{1}{2}$ ,且当 $x \in\left(0, \frac{1}{2}\right)$ 时,$\varphi^{\prime}(x)<0$ ,当 $x \in\left(\frac{1}{2}, 1\right)$ 时 $\varphi^{\prime}(x)>0$ ,
又因为 $\varphi(0)=\varphi(1)=1$ ,所以当 $\mathrm{x} \in(0,1)$ 时,$\varphi(x)<1$ 恒成立
综上:$p$ 的取值范围是 $(1,+\infty)$ .
【考点定位】本题考查导数的应用、函数的新定义,函数与不等式的综合应用以及分类讨论,数形结合的数学思想。高考中,导数解答题一般有以下几种考查方向:一、导数的几何意义,求函数的单调区间;二、用导数研究函数的极值,最值;三、用导数求最值的方法证明不等式,来年需要注意用导数研究函数最值的考查。

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