问题 解答题
对于函数y=f(x),若同时满足下列条件:
①函数y=f(x)在定义域D内是单调递增或单调递减函数;
②存在区间[a,b]⊆3D,使函数f(x)在[a,b]上的值域为[a,b],则称f(x)是D上的闭函数.
(1)求闭函数f(x)=-x3符合条件②的区间[a,b];
(2)判断函数g(x)=
3
4
x+
1
x
,在区间(0,+∞)上是否为闭函数;
(3)若函数φ(x)=k+
x+2
是闭函数,求实数k的取值范围.
答案

(1)∵y=-x3是[a,b]上的减函数,

f(a)=-a3=b
f(b)=-b3=a.

b
a
=
-a3
-b3
=(
a
b
)3

∴(

a
b
)4=1,∴
a
b
=±1

又∵-a3=b,∴

a=-1
b=1

∴所求区间为[-1,1].

(2)∵g′(x)=

3
4
-
1
x2
,x∈(0,+∞),

令g′(x)=

3
4
-
1
x2
>0,得x>
2
3
3

∴x>

2
3
3
时,g(x)为(
2
3
3
,+∞)上的增函数.

令g′(x)=

3
4
-
1
x2
<0,得0<x<
2
3
3

∴g(x)为(0,

2
3
3
)上的减函数.

∴g(x)不是(0,+∞)上的单调函数.

∴g(x)不是(0,+∞)上的闭函数.

(3)易知φ(x)是[-2,+∞]上的增函数.

设φ(x)=k+

x+2
满足条件②的区间是[a,b],

ϕ(a)=k+
a+2
=a
ϕ(b)=k+
b+2
=b.

即a,b是方程x=k+

x+2
的两个不等实根.

也就是方程组

x2-(2k+1)x+(k2-2)=0
x≥-2
x≥k
有两个不等实根a,b.

①当k≤-2时,方程x2-(2k+1)+(k2-2)=0在[-2,+∞)上有两个不等实根.

2k+1
2
>-2
△=(2k+1)2-4(k2-2)>0
(-2)2-(2k+1)(-2)+(k2-2)≥0.

解得:-

9
4
<k≤-2.

②当k>-2时,方程x2-(2k+1)x+(k2-2)=0在[k,+∞)上有两个不等实根.

2k+1
2
>k
△=(2k+1)2-4(k2-2)>0
k2-(2k+1)k+(k2-2)≥0.

解得:-

9
4
<k≤-2,与条件k>-2矛盾.

∴φ(x)=k+

x+2
是闭函数,实数k的取值范围是-
9
4
<k≤-2

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