问题 解答题
已知函数f(x)的定义域为(0,+∞),若y=
f(x)
x
在(0,+∞)上为增函数,则称f(x)为“一阶比增函数”;若y=
f(x)
x2
在(0,+∞)上为增函数,则称f(x)为“二阶比增函数”.我们把所有“一阶比增函数”组成的集合记为Ω1,所有“二阶比增函数”组成的集合记为Ω2
(Ⅰ)已知函数f(x)=x3-2hx2-hx,若f(x)∈Ω1,且f(x)∉Ω2,求实数h的取值范围;
(Ⅱ)已知0<a<b<c,f(x)∈Ω1且f(x)的部分函数值由下表给出,
xabca+b+c
f(x)ddt4
求证:d(2d+t-4)>0;
(Ⅲ)定义集合Φ={f(x)|f(x)∈Ω2,且存在常数k,使得任取x∈(0,+∞),f(x)<k},请问:是否存在常数M,使得∀f(x)∈Φ,∀x∈(0,+∞),有f(x)<M成立?若存在,求出M的最小值;若不存在,说明理由.
答案

(I)因为f(x)∈Ω1,且f(x)∉Ω2

即g(x)=

f(x)
x
=x2-2hx-h,在(0,+∞)是增函数,所以h≤0  …(2分)

而h(x)=

f(x)
x2
=x-2h-
h
x
在(0,+∞)不是增函数,

又∵h′(x)=1+

h
x2
,且

当h(x)是增函数时,有h≥0,所以当h(x)不是增函数时,h<0

综上,得h<0                          …(4分)

证明:(Ⅱ) 因为f(x)∈Ω1,且0<a<b<c<a+b+c,

所以

f(a)
a
f(a+b+c)
a+b+c
=
4
a+b+c
,所以f(a)=d<
4a
a+b+c

同理可证f(b)=d<

4b
a+b+c
,f(c)=t<
4c
a+b+c

三式相加得f(a)+f(b)+f(c)=2d+t<

4(a+b+c)
a+b+c
=4

所以2d+t-4<0                        …(6分)

因为

d
a
d
b
,所以d(
b-a
ab
)<0

而0<a<b,所以d<0

所以d(2d+t-4)>0                                …(8分)

(Ⅲ) 因为集合Φ={f(x)|f(x)∈Ω2,且存在常数k,使得任取x∈(0,+∞),f(x)<k},

所以∀f(x)∈Φ,存在常数k,使得 f(x)<k 对x∈(0,+∞)成立

我们先证明f(x)≤0对x∈(0,+∞)成立

假设∃x0∈(0,+∞),使得f(x0)>0,

f(x0)
x02
=m>0

因为f(x)是二阶比增函数,即

f(x)
x2
是增函数.

所以当x>x0时,

f(x)
x2
f(x0)
x02
=m,所以f(x)>mx2

所以一定可以找到一个x1>x0,使得f(x1)>mx12>k

这与f(x)<k 对x∈(0,+∞)成立矛盾                 …(11分)

即f(x)≤0对x∈(0,+∞)成立

所以∀f(x)∈Φ,f(x)≤0对x∈(0,+∞)成立

下面我们证明f(x)=0在(0,+∞)上无解

假设存在x2>0,使得f(x2)=0,

则因为f(x)是二阶增函数,即

f(x)
x2
是增函数

一定存在x3>x2>0,使

f(x3)
x32
f(x2)
x22
=0,这与上面证明的结果矛盾

所以f(x)=0在(0,+∞)上无解

综上,我们得到∀f(x)∈Φ,f(x)<0对x∈(0,+∞)成立

所以存在常数M≥0,使得∀f(x)∈Φ,∀x∈(0,+∞),有f(x)<M成立

又令f(x)=-

1
x
(x>0),则f(x)<0对x∈(0,+∞)成立,

又有

f(x)
x2
=
-1
x3
在(0,+∞)上是增函数,所以f(x)∈Φ,

而任取常数k<0,总可以找到一个xn>0,使得x>xn时,有有f(x)>k

所以M的最小值 为0       …(16分)

单项选择题
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