问题 解答题

已知函数f(x),若f(x)=x,则称x为f(x)的“不动点”;若f(f(x))=x,则称x为f(x)的“稳定点”.记集合A={x|f(x)=x},B={x|f(f(x))=x}

(1)已知A≠∅,若f(x)是在R上单调递增函数,是否有A=B?若是,请证明.

(2)记|M|表示集合M中元素的个数,问:(i)若函数f(x)=ax2+bx+c(a≠0),若|A|=0,则|B|是否等于0?若是,请证明,(ii)若|B|=1,试问:|A|是否一定等于1?若是,请证明.

答案

(1)证明:有A=B.先证

任取x0∈A,则f(x0)=x0,f(f(x0))=f(x0)=x0

∴x0∈B,∴A⊆B;

再证 任取y0∈B,f(f(y0))=y0

若f(y0)≠y0,不妨设f(y0)>y0

由单调递增可知:f(f(y0))>f(y0)>y0,与f(f(y0))=y0矛盾,

同理f(y0)<y0也矛盾,所以f(y0)=y0,∴B⊆A,

综上,A=B.

(2)(i)若|A|=0,则|B|=0,下面证明:

若a>0,由于f(x)=x无实根,则对任意实数x,f(x)>x,从而f(f(x))>f(x)>x,

故f(f(x))=x无实根;

同理,若a<0,对任意实数x,f(x)<x,从而f(f(x))<f(x)<x,

故f(f(x))=x也无实根,

所以|B|=0.

(ii)若|B|=1,则|A|=1,下面证明:

存在性:不妨设x0是B中唯一元素,则f(f(x0))=x0

令f(x0)=t,f(t)=x0,那么f(f(t))=f(x0),而f(x0)=t,故f(f(t))=t,说明t也是f(f(x))的不动点,

由于f(f(x))只有唯一的不动点,故x0=t,即f(t)=t,这说明t也是f(x)的不动点,从而存在性得证;

以下证明唯一性:若f(x)还有另外一个不动点m,即f(m)=m,m≠t,

则f(f(m))=f(m)=m,这说明f(f(x))还有另外一个稳定点m与题设矛盾.

故唯一性得证.

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