问题 解答题
已知集合MD是满足下列性质的函数f(x)的全体:存在非零常数k,使得对定义域D内的任意两个不同的实数x1,x2,均有|f(x1)-f(x2)|≤k|x1-x2|成立.
(Ⅰ) 当D=R时,f(x)=x是否属于MD?说明理由;
(Ⅱ) 当D=[0,+∞)时,函数f(x)=
x+1
属于MD,求k的取值范围;
(Ⅲ) 现有函数f(x)=sinx,是否存在函数g(x)=kx+b(k≠0),使得下列条件同时成立:
①函数g(x)∈MD
②方程g(x)=0的根t也是方程f(x)=0的根,且g(f(t))=f(g(t));
③方程f(g(x))=g(f(x))在区间[0,2π)上有且仅有一解.若存在,求出满足条件的k和b;若不存在,说明理由.
答案

(Ⅰ)属于MD

事实上,对任意x1,x2∈R,|f(x1)-f(x2)|=|x1-x2|≤2|x1-x2|,

故可取常数k=2满足题意,因此f(x)∈MD

(Ⅱ)∵f(x)=

x+1
在[0,+∞)为增函数

∴对任意x1,x2∈[0,+∞)有|

f(x1)-f(x2)
x1-x2
|=|
x1+1
-
x2+1
(x1+1)-(x2+1)
|=
1
x1+1
+
x2+1
1
2

(当x1=0,x2→0时取到),所以k≥

1
2
,此即为所求.

(Ⅲ)存在.

事实上,由(Ⅰ)可知,g(x)=kx+b(k≠0)属于MD

∵t是g(x)=0的根∴g(t)=0⇒t=-

b
k

又f(g(t))=g(f(t)),∴f(0)=g(0),∴b=0,∴g(x)=kx

若k符合题意,则-k也符合题意,故以下仅考虑k>0的情形.

设h(x)=f(g(x))-g(f(x))=sinkx-ksinx,

①若k≥1,则

h(

π
k
)=sinπ-ksin
π
k
<0,

h(

2
)=sin
3kπ
2
-ksin
2
=sin
3kπ
2
+k≥0,

所以,在[

π
k
2
]中另有一根,矛盾.

②若

1
2
<k<1,

h(

π
k
)=sinπ-ksin
π
k
≥0,h[2π]=sin2kπ-ksin2π<0,

所以在[

π
k
,2π]中另有一根,矛盾.∴0<k≤
1
2

以下证明,对任意k∈(0,

1
2
],g(x)=kx符合题意.

(ⅰ)当x∈(0,

π
2
]时,由y=sinx图象在连接两点(0,0),(x,sinx)的线段的上方知sinkx>ksinx

∴h(x)>0.

(ⅱ)当x∈(

π
2
π
2k
]时,sinkx>sin
2
≥ksin
π
2
≥ksinx∴h(x)>0

(ⅲ)当x∈(

π
2k
,2π)时,sinkx>0,sinx<0,∴h(x)>0.

从而h(x)=0有且仅有一个解x=0,∴g(x)=kx在k∈(0,

1
2
]满足题意.

综上所述:k∈[-

1
2
,0)∪(0,
1
2
],b=0为所求.

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