cyrxdzj的文化课学习笔记 数学005 函数之函数的单调性和奇偶性


1、根据函数的奇偶性求值

已知函数 $f(x)=\frac{x+b}{ax^2+1}$,这是定义在 $\begin{bmatrix}-1,1\end{bmatrix}$ 上的奇函数,且 $f(1)=\frac{1}{2}$,求 $a,b$ 的值。

我们知道,奇函数有 $f(x)=-f(-x)$,那么我们可以知道 $\frac{x+b}{ax^2+1}=-\frac{-x+b}{a(-x)^2+1}$。

我们还发现,$x^2=(-x)^2$,也就是说这个等式两边的分母其实相等(且不等于 $0$)。也就是说,$x+b=-x+b$。经验证,在 $b=0$ 时有 $\frac{x}{ax^2+1}=-\frac{-x}{a(-x)^2+1}$。

得到 $b=0$ 之后,我们就可以代入求值,得到 $\frac{1}{a+1}=\frac{1}{2}$ 了。

有些时候可以使用一些小技巧。

已知定义域为 $R$ 的函数 $f(x)=\frac{-2^x+b}{2^{x+1}+2}$ 是奇函数,求 $b$ 的值。

我们都知道,如果奇函数在 $x=0$ 时有定义,那么一定有 $f(0)=0$。

所以,$\frac{-2^0+b}{2^1+2}=0$,可以得出 $b=1$。

需要注意,$f(0)=0$ 不能称为奇函数的充分条件。所以,使用此方法后,必须验证:$f(-x)=…$ 给阅卷老师看看。

当题中提到函数是奇函数时,有以下条件可供解题:

  1. 定义域必须对称。

  2. 对于所有的定义域中的 $x$,都有 $f(-x)=-f(x)$。

  3. 如果 $0$ 在定义域中,则一定有 $f(0)=0$,因为 $f(-0)=-f(0)$。

而如果是偶函数,则:

  1. 定义域必须对称。

  2. 对于所有的定义域中的 $x$,都有 $f(-x)=f(x)$。

2、判断函数的单调性

一般情况下,我们可以设 $x_1<x_2$,然后根据 $f(x_1)$ 与 $f(x_2)$ 的大小关系判断。

而更多情况下,我们可以根据 $f(x_2)-f(x_1)$ 与 $0$ 的大小关系判断。

例如,函数 $f(x)=\frac{x}{x^2+1}$ 是定义在 $\begin{bmatrix}-1,1\end{bmatrix}$ 上的函数(诶这不就是上面出现过的函数吗),判断它的单调性。

首先,我们设 $-1\le x_1<x_2\le1$。

然后,开始计算:

$f(x_2)-f(x_1)\\=\frac{x_2}{x_2^2+1}-\frac{x_1}{x_1^2+1}=\frac{x_2(x_1^2+1)-x_1(x_2^2+1)}{(x_1^2+1)(x_2^2+1)}\\=\frac{x_2x_1^2+x_2-x_1x_2^2-x_1}{(x_1^2+1)(x_2^2+1)}=\frac{x_1x_2(x_1-x_2)+x_2-x_1}{(x_1^2+1)(x_2^2+1)}\\=\frac{(1-x_1x_2)(x_2-x_1)}{(x_1^2+1)(x_2^2+1)}$

于是,经过细心地计算,我们就得到了这么个算式。

接下来,我们要好好地利用 $-1\le x_1<x_2\le1$ 这个条件。

首先,任何实数的平方都大于等于 $0$,我们就可以发现 $x_1^2+1\ge1,x_2^2+1\ge1$。这意味着,分母大于 $0$。

然后,我们也可以很容易地发现 $x_2-x_1>0$。

我们发现,$-1\le x_1<x_2\le1$ 这个条件,意味着 $x_1x_2<1$。读者自证不难。

也就是说,$1-x_1x_2>0$。

这些条件集齐,我们就可以得出 $f(x_2)-f(x_1)>0$。因此,函数单调递增。

对于这类问题,应该根据单调性的定义,列出算式,细心地计算,并得出结果。

高中的数学特别考验细心和耐心,稍有不慎就会大量丢分。

3、判断特殊类型函数的奇偶性

有函数 $f(x)$,定义域为 $(-\infty,0)\cup(0,+\infty)$,且对于任意 $x_1$ 和 $x_2$ 都有 $f(x_1\times x_2)=f(x_1)+f(x_2)$,试证明这是偶函数。

一般来说,对于这类函数,$-1,0,1$ 是突破口。在本题中 $f(0)$ 未定义。

我们可以发现,$f(1)=f(1\times1)=f(1)+f(1)$,因此,$f(1)=0$。

我们还可以发现,$f(1)=f[(-1)\times(-1)]=f(-1)+f(-1)$,因此,$f(-1)=0$。

别问我怎么“可以发现”的。这只能靠经验,以及,猜。

这样,我们可以发现 $f(-x)=f(x)+f(-1)=f(x)+0$,我们就得出了 $f(x)$ 是偶函数的结论。

4、利用函数的奇偶性与单调性解不等式

已知函数 $f(x)=\frac{x}{x^2+1}$ 是定义在 $\begin{bmatrix}-1,1\end{bmatrix}$ 上的函数,这是单调递增函数,解关于 $t$ 的不等式 $f(t+\frac{1}{2})+f(t-\frac{1}{2})<0$。

首先,根据定义域,我们可以发现 $-1\le t-\frac{1}{2}<t+\frac{1}{2}\le1$,也就是说 $-\frac12\le t\le\frac12$。

然后,$f(t-\frac12)=-f(\frac{1}{2}-t)$,原不等式等价于 $f(t+\frac{1}{2})<f(\frac{1}{2}-t)$。

由于 $f(x)$ 是增函数,所以,可以得到 $t+\frac12<\frac12-t$。

最终,我们得到 $t$ 的取值范围是 $[-\frac12,0)$。

对于这类问题,我们应利用好各个性质,同时注意各种各样隐藏在题目中的要求,最终得出答案。

已知函数 $f(x)$,定义域为 $(-\infty,0)\cup(0,+\infty)$,且对于任意 $x_1$ 和 $x_2$ 都有 $f(x_1\times x_2)=f(x_1)+f(x_2)$,且有 $f(2)=1$,这是偶函数,在 $(0,+\infty)$ 上单调递增。

好问题来了,解不等式:$f(2x^2-1)<2$。

首先,我们发现,这个函数是中间凹、两边凸的形式。因为这是偶函数,在 $(0,+\infty)$ 上单调递增,在 $(-\infty,0)$ 上就单调递减了。

然后,我们可以尝试求出 $f(?)=2$。显然,$f(4)=f(2)+f(2)=2$。由此,我们得到 $f(2x^2-1)<f(4)$。

我们再看看函数的两个重要特性(偶函数&单调性),这个特性决定了我们要解的不等式其实是:$\left{\begin{matrix}
-4<2x^2-1<4 \\
2x^2-1\neq0
\end{matrix}\right.$。

这个不等式也不难解。

函数的单调性可以将函数值的大小比较(例如 $f(a)<f(b)$)转化为函数参数的大小比较($a<b$)从而大幅度降低解题难度。

而函数的奇偶性的作用是,如果本来只知道某一个区间的单调性,可以用它来转化为另一个区间的单调性。

需要注意,“将函数值的大小比较转化为函数参数的大小比较”有时候不是那么容易的。这个时候我们可以画个草得不能再草的图,随便画几条直线,符合奇偶性和单调性即可,然后看图转化。


文章作者: cyrxdzj
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