函數的迭代


前言

補充,何為迭代法,並舉例。

典例剖析

【2018鳳翔中學高三文科數學沖刺模擬第10套第8題】已知\(f(x)=\begin{cases}1,&x\in[0,1]\\x-3,&x\notin[0,1]\end{cases}\),則使得\(f(f(x))=1\)成立的\(x\)的取值范圍是【】

$A.[0,1]$ $B.[0,1]\cup\{7\}$ $C.[0,1]\cup [3,4]$ $D.[0,1]\cup[3,4]\cup\{7\}$

分析:本題目屬於求解分段函數方程,可以將\(f(x)\)這個整體視為已知中的\(x\),則原分段函數方程等價於

第一種情形,\(0\leq f(x)\leq 1\)\(f(x)=1\);或第二種情形,\(f(x)-3=1\)\(f(x)\notin[0,1]\)

其中第一種可化簡為\(0\leq f(x)\leq 1\),再等價轉化為\(\begin{cases}x\in[0,1]\\f(x)=1\end{cases}\)\(\begin{cases}x\notin[0,1]\\0\leq x-3\leq 1\end{cases}\)

解得\(0\leq x\leq 1\)\(3\leq x\leq 4\)

第二種可化簡為\(f(x)=4\),再等價轉化為\(\begin{cases}x\in[0,1]\\1=4\end{cases}\)\(\begin{cases}x\notin[0,1]\\x-3=4\end{cases}\),解得\(x=7\)

綜上所述,\(x\)的取值范圍是\([0,1]\cup[3,4]\cup\{7\}\),故選\(D\)

已知函數\(f(x)\)是定義在\(R\)上的奇函數,當\(x<0\)時,\(f(x)=(x+1)e^x\),則對任意的\(m\in R\),函數\(F(x)=\) \(f[f(x)]-m\)的零點至多有【】個。

$A.3$ $B.4$ $C.6$ $D.9$

【法1】:利用復合函數的圖像解決問題;首先利用函數的奇偶性求出函數\(f(x)\)的解析式;

題目給定了\(x<0\)時的解析式,則當\(x>0\)時,\(-x<0\),則\(f(-x)=(-x+1)e^{-x}\)

又函數\(f(x)\)為奇函數,則\(f(x)=-f(-x)=-(-x+1)e^{-x}=(x-1)e^{-x}\),又\(f(0)=0\)

故函數的解析式為\(f(x)=\left\{\begin{array}{l}{(x+1)e^x,x<0}\\{0,x=0}\\{(x-1)e^{-x},x>0}\end{array}\right.\)

接下來利用導數先研究\(x<0\)時的單調性,\(f(x)=(x+1)e^x\),則\(f'(x)=(x+2)e^x\)

\(x\in (-\infty,-2)\)時,函數\(f(x)\)單調遞減,\(x\in (2,0)\)時,函數\(f(x)\)單調遞增,又\(f(0)=1\)

故結合單調性和奇偶性,做出\(R\)上的函數示意圖如下:

接下來分析復合函數\(h(x)=f[f(x)]\)的圖像。

\(x=0\)時,\(f(0)=0\)時,\(f(f(0))=0\)

\(x\in (0,1)\)時,內函數\(f(x)\)單調遞增,且\(f(x)\in (-1,0)\),此時外函數在\((-1,0)\)上也單調遞增,故\(f(f(x))\)\(x\in (0,1)\)上單調遞增;

\(x=1\)時,\(f(1)=0\)\(f(f(1))=0\)

\(x\in (1,2)\)時,內函數\(f(x)\)單調遞增,且\(f(x)\in (0,e^{-2})\),此時外函數在\((0,e^{-2})\)上也單調遞增,故\(f(f(x))\)\(x\in (1,2)\)上單調遞增,且函數值從\(1\)逐漸增大到\(f(f(2))\)\(f(f(2))<0\)

\(x\in (2,+\infty)\)時,內函數\(f(x)\)單調遞減,且\(f(x)\in (0,e^{-2})\),此時外函數在\((0,e^{-2})\)上單調遞增,故\(f(f(x))\)\(x\in (2,+\infty)\)上單調遞減,且函數值逐漸趨近於\(-1\)

然后,用奇函數的性質對稱畫出\(x<0\)的那一部分,總體圖像如下圖所示;

由圖可知,函數\(y=f(f(x))\)\(y=m\)的交點最多有三個,故選\(A\)

  • 下述的解法2,最好先說明借助圖像如何由\(x\)\(f(x)\),以及由\(f(x)\)\(x\);只要雙向的對應理解透徹,下述的解法就好思考多了;

【法2】:由外向里,從函數值找自變量,首先利用函數的奇偶性求出函數\(f(x)\)的解析式;

題目給定了\(x<0\)時的解析式,則當\(x>0\)時,\(-x<0\),則\(f(-x)=(-x+1)e^{-x}\)

又函數\(f(x)\)為奇函數,則\(f(x)=-f(-x)=-(-x+1)e^{-x}=(x-1)e^{-x}\),又\(f(0)=0\)

故函數的解析式為\(f(x)=\left\{\begin{array}{l}{(x+1)e^x,x<0}\\{0,x=0}\\{(x-1)e^{-x},x>0}\end{array}\right.\)

接下來利用導數先研究\(x<0\)時的單調性,\(f(x)=(x+1)e^x\),則\(f'(x)=(x+2)e^x\)

\(x\in (-\infty,-2)\)時,函數\(f(x)\)單調遞減,\(x\in (2,0)\)時,函數\(f(x)\)單調遞增,又\(f(0)=1\)

故結合單調性和奇偶性,做出\(R\)上的函數示意圖如下:

\(F(x)=0\),即\(f(f(x))=m\),由圖可知,要使得函數\(y=f(f(x))\)\(y=m\)的圖像有交點,則\(m\in (-1,1)\);接下來關於\(m\)的取值分類討論如下:

\(m\in (0,e^{-2})\)時,如圖所示,內函數\(f(x)=a,a\in (-1,0)\)\(f(x)=b,b\in (1,2)\)\(f(x)=c,c\in (2,+\infty)\)

\(f(x)=b\)\(f(x)=c\)時,不存在\(x\);注意應該是在\(y\)軸上找點\((0,b)\),然后過此點做\(x\)軸的平行線,顯然和函數的圖像沒有交點;

\(f(x)=a, a\in (-1,0)\)時,此時和函數的圖像最多有三個交點;

\(m\in (e^{-2},1)\)時,內函數\(f(x)=a,a\in (-1,0)\),此時\(f(x)\in (-1,0)\)時,函數\(y=a\)和函數\(y=f(x)\)圖像最多有三個交點,

同理,當\(m\in (-e^{-2},0)\)\(m\in (-1,-e^{-2})\)時,仿上說明,同樣最多有三個交點,故選\(A\)

【2019屆高三理科數學資料用題】【2018日照一模】已知函數\(f(x)=\left\{\begin{array}{l}{|lgx|,x>0}\\{2^{|x|},x\leq 0}\end{array}\right.\),則函數\(y=2f^2(x)\) \(-3f(x)\) \(+1\)的零點個數是______個。

分析:函數\(y=2f^2(x)-3f(x)+1\)的零點個數即方程\(2f^2(x)-3f(x)+1=0\)的根的個數,

故先求解方程\(2f^2(x)-3f(x)+1=0\),即\([2f(x)-1][f(x)-1]=0\)

解得\(f(x)=1\)\(f(x)=\cfrac{1}{2}\)

接下來原方程的根的個數轉化為方程\(f(x)=1\)\(f(x)=\cfrac{1}{2}\)的根的個數,

故做出函數\(y=f(x)\)的圖像和直線\(y=1\)\(y=\cfrac{1}{2}\)

由圖像可以看出,其共有\(5\)個交點,故原函數的零點個數為\(5\)個。

【2019屆高三理科數學三輪模擬用題】函數\(f(x)=\left\{\begin{array}{l}{log_2x,x>0}\\{x^2+4x+1,x<0}\end{array}\right.\),若實數\(a\)滿足\(f(f(a))=1\),則實數\(a\)的所有取值的和為___________。

法1:從數的角度入手思考,將內函數\(f(x)\)理解為整體,則\(f(f(a))=1\)等價於以下的兩個方程組,

Ⅰ.\(\left\{\begin{array}{l}{f(a)>0}\\{log_2f(a)=1}\end{array}\right.\),或者Ⅱ.\(\left\{\begin{array}{l}{f(a)\leq 0}\\{[f(a)]^2+4[f(a)]+1=1}\end{array}\right.\)

解Ⅰ得到,\(f(a)=2\)①;解Ⅱ得到,\(f(a)=0\)②或者\(f(a)=-4\)③;

再次求解①得到,\(\left\{\begin{array}{l}{a>0}\\{log_2a=2}\end{array}\right.\),或\(\left\{\begin{array}{l}{a\leq 0}\\{a^2+4a+1=2}\end{array}\right.\)

解得\(a=4\)\(a=-2-\sqrt{5}\)

求解②得到,\(\left\{\begin{array}{l}{a>0}\\{log_2a=0}\end{array}\right.\),或\(\left\{\begin{array}{l}{a\leq 0}\\{a^2+4a+1=0}\end{array}\right.\)

解得\(a=1\)\(a=-2\pm \sqrt{3}\)

求解③得到,\(\left\{\begin{array}{l}{a>0}\\{log_2a=-4}\end{array}\right.\),或\(\left\{\begin{array}{l}{a\leq 0}\\{a^2+4a+1=-4}\end{array}\right.\)

解得\(a=\cfrac{1}{16}\)\(a\in \varnothing\)

故實數\(a\)的所有取值的和為\(4-2-\sqrt{5}+1-2-\sqrt{3}-2+\sqrt{3}+\cfrac{1}{16}=-\cfrac{15}{16}-\sqrt{5}\)

法2:從圖像入手分析,待編輯。

【2020屆高三文科數學周末訓練2用題】若函數\(f(x)=\left\{\begin{array}{l}{x+1,x\leqslant 0}\\{lnx,x>0,}\end{array}\right.\) 則函數\(y=f[f(x)]+1\)的零點的個數為______ 個。

分析:首先學習理解一個分段函數方程的模型;

\(\quad\quad\)【為理解上題配備的模型,求解分段函數方程】【2016第三次全國大聯考第15題】已知\(f(x)\)是定義在R上的奇函數,且當\(x<0\)時,\(f(x)=2x-1\),若\(f(a)=3\),求實數\(a\)的值。

分析:先由奇偶性求得\(x>0\)時,\(f(x)=2x+1\)

即得到函數的解析式為\(f(x)=\begin{cases}2x-1&x<0\\0&x=0\\2x+1&x>0\end{cases}\),且已知\(f(a)=3\),求\(a\)的值,

等價轉化為三個不等式組 \(\begin{cases}a<0\\2a-1=3\end{cases}\),或\(\begin{cases}a=0\\0=3\end{cases}\),或\(\begin{cases}a>0\\2a+1=3\end{cases}\)

解得\(a=1\)

學習理解透徹了上述模型后,我們開始求解本題目:

【法1】:從數的角度求解;令\(f(x)=t\),則函數的零點問題轉化為方程\(f(t)=-1\)的解的個數問題;

即相當於已知\(f(x)=\left\{\begin{array}{l}{x+1,x\leqslant 0}\\{lnx,x>0,}\end{array}\right.\)\(f(t)=-1\),求\(t\)的值;

則上述分段函數方程等價於\(\left\{\begin{array}{l}{t\leqslant 0}\\{t+1=-1}\end{array}\right.\)\(\left\{\begin{array}{l}{t> 0}\\{lnt=-1}\end{array}\right.\)

解得\(t=-2\)或者\(t=\cfrac{1}{e}\),即\(f(x)=-2\)或者\(f(x)=\cfrac{1}{e}\),到此題目又可以轉化為

已知\(f(x)=\left\{\begin{array}{l}{x+1,x\leqslant 0}\\{lnx,x>0,}\end{array}\right.\)\(f(x)=-2\),求\(x\)的值;可以仿上求解得到\(2\)\(x\)的值;

或已知\(f(x)=\left\{\begin{array}{l}{x+1,x\leqslant 0}\\{lnx,x>0,}\end{array}\right.\)\(f(x)=\cfrac{1}{e}\),求\(x\)的值;亦可以仿上求解得到\(2\)\(x\)的值;

故所求的零點的個數為\(4\)個。

【法2】:從形的角度求解;先做出分段函數圖像如下:

先將函數的零點問題轉化為方程\(f[f(x)]=-1\)的根的個數問題;作直線\(y=-1\)與函數\(y=f(x)\)圖像有兩個交點,其橫坐標分別為\(x=-2\)\(x=\cfrac{1}{e}\)

然后在同樣的圖上,再分別作直線\(y=-2\)\(y=\cfrac{1}{e}\),可以看出,這兩條直線分別和分段函數\(y=f(x)\)有兩個交點,故共有四個交點。即所求的零點的個數為\(4\)個。

設函數\(f(x)=\begin{cases}x^2+x,&x<0\\-x^2,&x\ge 0 \end{cases}\),若\(f(f(a))\leq 2\),則實數\(a\)的取值范圍是_____.

法1:若能將\(f(a)\)理解成已知函數的\(x\)

則可以將\(f(f(a))\leq 2\)等價轉化為以下的兩個不等式組:

\(\begin{cases}&f(a)<0\\&f^2(a)+f(a)\leq 2 \end{cases}\)\(\begin{cases}&f(a)\ge0\\&-f^2(a)\leq 2 \end{cases}\)

分別解得:\(-2\leq f(a)<0\)\(f(a)\ge 0\),故\(f(a)\ge -2\)

到此問題轉化為已知\(f(x)=\begin{cases}x^2+x,&x<0\\-x^2,&x\ge 0 \end{cases}\)\(f(a)\ge -2\)

求實數\(a\)的取值范圍,這就容易多了。

再次轉化為\(\begin{cases}&a<0\\&a^2+a\ge -2 \end{cases}\)\(\begin{cases}&a\ge0\\&-a^2\ge -2 \end{cases}\)

分別解得:\(a<0\)\(0\leq a\leq \sqrt{2}\),故實數\(a\)的取值范圍為\((-\infty,+\sqrt{2}]\)

解后反思:本題經過兩次抽絲剝繭般的處理,第一次的結果得到\(f(a)\ge -2\)

第二次的結果得到\(a\in (-\infty,+\sqrt{2}]\)

法2:圖像法

自行做出函數圖像,結合圖像可知,

要使得\(f(f(a))\leq 2\),則必須\(f(a)\ge -2\)

這時就轉化為分段函數不等式問題了。

\(f(a)\ge -2\)等價於以下兩個不等式組:

\(\begin{cases}&a<0 \\&a^2+a\ge -2\end{cases}\)\(\begin{cases}&a\ge 0 \\&-a^2\ge -2\end{cases}\)

解得\(a<0\)\(0\leq a\leq \sqrt{2}\)

\(a\in(-\infty,\sqrt{2}]\)

已知函數\(y=f(x)\)\(y=g(x)\)\([-2,2]\)上的圖像如圖所示,給出下列四個命題:

①方程\(f[g(x)]=0\)有且僅有\(6\)個根;②方程\(g[f(x)]=0\)有且僅有\(3\)個根;

③方程\(f[f(x)]=0\)有且僅有\(5\)個根;④方程\(g[g(x)]=0\)有且僅有\(4\)個根;

則正確的命題有 _______________。①③④

【法1】:從里向外分析,重新配圖;得空整理;

對於命題①而言,復合函數為\(f[g(x)]\);為什么如下選擇區間?理由[1]

\([-2,x_0]\)上,\(f[g(x)]\nearrow\)\(f[g(-2)]=f(-2)=-2\)\(f[g(x_0)]=f(-1)=1\),其中\(g(x_0)=-1\);

\([x_0,x_1]\)上,\(f[g(x)]\searrow\)\(f[g(x_1)]=f(0)=0\),其中\(g(x_1)=0\)

\([x_1,x_2]\)上,\(f[g(x)]\searrow\)\(f[g(x_2)]=f(1)=-1\),其中\(g(x_2)=1\)

\([x_2,-1]\)上,\(f[g(x)]\nearrow\)\(f[g(-1)]=f(2)=2\)

\([-1,0]\)上,\(f[g(x)]\searrow\)\(f[g(0)]=f(1)=-1\);圖中未說明,假定\(g(0)=1\);

\([0,1]\)上,\(f[g(x)]\nearrow\)\(f[g(1)]=f(-0.3)=0.4\)\(g(1)=-0.3\)\(f(-0.3)=0.4\)為估算值;

\([1,x_3]\)上,\(f[g(x)]\nearrow\)\(f[g(x_3)]=f(-1)=1\),其中\(g(x_3)=-1\)

\([x_3,2]\)上,\(f[g(x)]\searrow\)\(f[g(2)]=f(-2)=-2\)

根據上述函數值,做出函數圖像,由圖像可知方程\(f[g(x)]=0\)有且僅有\(6\)個根;故①正確;

對於命題②而言,復合函數為\(g[f(x)]\)

\([-2,x_4]\)上,\(g[f(x)]\nearrow\)\(g[f(-2)]=g(-2)=-2\)\(g[f(x_4)]=g(-1)=2\),其中\(f(x_4)=-1\);

\([x_4,x_5]\)上,\(g[f(x)]\searrow\)\(g[f(x_5)]=g(0)=1\),其中\(f(x_5)=0\)

\([x_5,-1]\)上,\(g[f(x)]\searrow\)\(g[f(-1)]=g(1)=-0.3\)

\([-1,0]\)上,\(g[f(x)]\nearrow\)\(g[f(0)]=g(0)=1\)

\([0,1]\)上,\(g[f(x)]\nearrow\)\(g[f(1)]=g(-1)=2\)

\([1,x_6]\)上,\(g[f(x)]\searrow\)\(g[f(x_6)]=g(1)=0\),其中\(f(x_6)=1\)

\([x_6,2]\)上,\(f[g(x)]\searrow\)\(g[f(2)]=g(2)=-2\)

根據上述函數值,做出函數圖像,由圖像可知方程\(g[f(x)]=0\)有且僅有\(4\)個根;故②錯誤;

對於命題③而言,復合函數為\(f[f(x)]\)

\([-2,x_4]\)上,\(f[f(x)]\nearrow\)\(f[f(-2)]=f(-2)=-2\)\(f[f(x_4)]=f(-1)=1\),其中\(f(x_4)=-1\);

\([x_4,x_5]\)上,\(f[f(x)]\searrow\)\(f[f(x_5)]=f(0)=0\),其中\(f(x_5)=0\)

\([x_5,-1]\)上,\(f[f(x)]\searrow\)\(f[f(-1)]=f(1)=-1\)

\([-1,0]\)上,\(f[f(x)]\nearrow\)\(f[f(0)]=f(0)=0\)

\([0,1]\)上,\(f[f(x)]\nearrow\)\(f[f(1)]=f(-1)=1\)

\([1,x_6]\)上,\(f[f(x)]\searrow\)\(f[f(x_6)]=f(1)=-1\),其中\(f(x_6)=1\)

\([x_6,2]\)上,\(f[f(x)]\nearrow\)\(f[f(2)]=f(2)=2\)

根據上述函數值,做出函數圖像,由圖像可知方程\(f[f(x)]=0\)有且僅有\(5\)個根;故③正確;

對於命題④而言,復合函數為\(g[g(x)]\)

\([-2,x_0]\)上,\(g[g(x)]\nearrow\)\(g[g(-2)]=g(-2)=-2\)\(g[g(x_0)]=g(-1)=2\),其中\(g(x_0)=-1\);

\([x_0,x_1]\)上,\(g[g(x)]\searrow\)\(g[g(x_1)]=f(0)=0\),其中\(g(x_1)=0\)

\([x_1,x_2]\)上,\(g[g(x)]\searrow\)\(g[g(x_2)]=g(1)=-0.3\),其中\(g(x_2)=1\)

\([x_2,-1]\)上,\(g[g(x)]\searrow\)\(g[g(-1)]=g(2)=-2\)

\([-1,0]\)上,\(g[g(x)]\nearrow\)\(g[g(0)]=g(1)=0\)

\([0,1]\)上,\(g[g(x)]\nearrow\)\(g[g(1)]=g(0)=1\)

\([1,x_3]\)上,\(g[g(x)]\nearrow\)\(g[g(x_3)]=g(-1)=2\),其中\(g(x_3)=-1\)

\([x_3,2]\)上,\(g[g(x)]\searrow\)\(g[g(2)]=f(-2)=-2\)

根據上述函數值,做出函數圖像,由圖像可知方程\(g[g(x)]=0\)有且僅有\(4\)個根;故④正確;

綜上所述,正確的命題有①③④。

法2:從外向里分析,由圖像可知,\(-2\leqslant g(x)\leqslant 2\)\(-2\leqslant f(x)\leqslant 2\)

對於命題①而言,由於滿足方程\(f[g(x)]=0\)\(g(x)\)\(3\)個不同值,由於每個值\(g(x)\)又對應了\(2\)\(x\)值,故滿足\(f[g(x)]=0\)\(x\)值有\(6\)個,即方程\(f[g(x)]=0\)有且僅有\(6\)個根,故命題①正確;

[圖像使用方法說明]:由\(y=f(x)\)的圖像可以看出,使得\(f(x)=0\)的三個零點值分別為\(x_1=-1.6\)\(x_2=0\)\(x_3=1.6\)[估算],

在函數\(y=g(x)\)的圖像中,分別做直線\(g(x)=-1.6\)\(g(x)=0\)\(g(x)=1.6\),每一條直線和函數\(y=g(x)\)都有\(2\)個交點,故共有\(6\)個交點。

對於命題②而言,由於滿足方程\(g[f(x)]=0\)\(f(x)\)\(2\)個不同值,從圖中可知,每一個值\(f(x)\),一個\(f(x)\)的值在\((-2,-1)\)上,另一個\(f(x)\)的值在\((0,1)\)上,當\(f(x)\)的值在\((-2,-1)\)上時,原方程有一個解;當\(f(x)\)的值在\((0,1)\)上時,原方程有\(3\)個解,故滿足\(g[f(x)]=0\)\(x\)值有\(4\)個,即方程\(g[f(x)]=0\)有且僅有\(4\)個根,故命題②不正確;

對於命題③而言,由於滿足方程\(f[f(x)]=0\)\(f(x)\)\(3\)個不同值,從圖中可知,一個\(f(x)\)的值在\((-2,-1)\)上,一個\(f(x)\)的值為\(0\),另一個\(f(x)\)的值在\((1,2)\)上;當\(f(x)=0\)對應了\(3\)個不同的\(x\)值,當\(f(x)\)\((-2,-1)\)上時,只對應一個\(x\)值;當\(f(x)\)的值在\((1,2)\)上時,也只對應一個\(x\)的值,故滿足\(f[f(x)]=0\)\(x\)值有\(5\)個,即方程\(f[f(x)]=0\)有且僅有\(5\)個根,故命題③正確;

對於命題④而言,由於滿足方程\(g[g(x)]=0\)\(g(x)\)\(2\)個不同值,從圖中可知,每個\(g(x)\)的值對應\(2\)個不同的\(x\)值,故滿足\(g[g(x)]=0\)\(x\)值有\(4\)個,即方程\(g[g(x)]=0\)有且僅有\(4\)個根,故命題④正確;

綜上所述,正確的命題有①③④。

【高三理科用題】已知\(f(x)\)是定義在\(R\)上不恆為零的函數,對於任意的\(x,y\in R\)都有\(f(xy)\)\(=xf(y)\)\(+yf(x)\)成立,數列\(\{a_n\}\)滿足\(a_n=f(2^n)(n\in N^*)\)\(a_1=2\),則數列\(\{a_n\}\)的通項公式\(a_n\)=______________.

法1:【迭代遞推】

\(a_1=f(2^1)=2\),即\(f(2)=2\)

\(a_n=f(2^n)=f(2\cdot2^{n-1})=2f(2^{n-1})+2^{n-1}f(2)\)

\(=2^1\cdot f(2^{n-1})+2^n\cdot 1=2[2f(2^{n-2})+2^{n-2}f(2)]+2^n\cdot 1\)

\(=2^2\cdot f(2^{n-2})+2^n\cdot 2\)

\(=2^3\cdot f(2^{n-3})+2^n\cdot 3\)

\(=2^4\cdot f(2^{n-4})+2^n\cdot 4\)

\(=2^{n-1}\cdot f(2^1)+2^n \cdot (n-1)=n\cdot 2^n\)

法2:【賦值法】

由題目\(a_n=f(2^n)\)可知,\(a_{n+1}=f(2^{n+1})\),且\(a_1=f(2)=2\)

由於對任意的\(x,y\in R\)都有\(f(xy)\)\(=xf(y)\)\(+yf(x)\)成立,

\(x=2^n\)\(y=2\),則有\(f(2^{n+1})=f(2^n\cdot 2)=2^nf(2)+2f(2^n)\)

\(a_{n+1}=2a_n+2\times 2^n\),即\(a_{n+1}=2a_n+2^{n+1}\)

接下來兩邊同時除以\(2^{n+1}\),得到

\(\cfrac{a_{n+1}}{2^{n+1}}=\cfrac{a_{n}}{2^{n}}+1\)

則數列\(\{\cfrac{a_n}{2^n}\}\)是首項為\(1\),公差為\(1\)的等差數列,

則有\(\cfrac{a_n}{2^n}=1+(n-1)\times 1=n\)

即所求通項公式為\(a_n=n\cdot 2^n\)

【高三理科用題】設\(f_1(x)=\cfrac{2}{1+x},f_{n+1}(x)=f_1(f_n(x))\),且\(a_n=\cfrac{f_n(0)-1}{f_n(0)+1}\),則\(a_{2017}=?\)

法1:可以計算出數列的前有限項,歸納猜想得到通項公式從而求解;

由題目可知\(f_1(x)=\cfrac{2}{1+x},f_{n+1}(x)=f_1(f_n(x))\)

\(f_n(x)\)代入\(f_1(x)\)得到,\(f_{n+1}(x)=\cfrac{2}{1+f_n(x)}\)

用此式依次計算得到:

\(f_1(x)=\cfrac{2}{1+x},f_1(0)=2,a_1=\cfrac{f_1(0)-1}{f_1(0)+1}=\cfrac{1}{4}\)

\(f_2(x)=\cfrac{2(1+x)}{3+x},f_2(0)=\cfrac{2}{3},a_2=\cfrac{f_2(0)-1}{f_2(0)+1}=-\cfrac{1}{8}\)

\(f_3(x)=\cfrac{2(3+x)}{5+3x},f_3(0)=\cfrac{6}{5},a_3=\cfrac{f_3(0)-1}{f_3(0)+1}=\cfrac{1}{16},\cdots\)

由此猜想數列\(\{a_n\}\)是首項為\(\cfrac{1}{4}\),公比為\(-\cfrac{1}{2}\)的等比數列,

通項公式為\(a_n=\cfrac{1}{4}\cdot(-\cfrac{1}{2})^{n-1}\)

\(a_{2017}=\cfrac{1}{4}\cdot(-\cfrac{1}{2})^{2017-1}=\cfrac{1}{2^{2018}}\).

法2:由上式得到啟發,我們可以直接計算如下:

\(\cfrac{a_{n+1}}{a_n}=\cfrac{\cfrac{f_{n+1}(0)-1}{f_{n+1}(0)+2}}{\cfrac{f_n(0)-1}{f_n(0)+2}}=\cfrac{\cfrac{f_1(f_n(0))-1}{f_1(f_n(0))+2}}{\cfrac{f_n(0)-1}{f_n(0)+2}}\)

\(=\cfrac{\cfrac{\frac{2}{1+f_n(0)}-1}{\frac{2}{1+f_n(0)}+2}}{\cfrac{f_n(0)-1}{f_n(0)+2}}=\cfrac{\cfrac{1-f_n(0)}{2(f_n(0)+2)}}{\cfrac{f_n(0)-1}{f_n(0)+2}} =-\cfrac{1}{2}\)

\(q=-\cfrac{1}{2}\),再計算\(a_1=\cfrac{f_1(0)-1}{f_1(0)+1}=\cfrac{1}{4}\)

故數列\(\{a_n\}\)是首項為\(\cfrac{1}{4}\),公比為\(-\cfrac{1}{2}\)的等比數列,

通項公式為\(a_n=\cfrac{1}{4}\cdot(-\cfrac{1}{2})^{n-1}\),則\(a_{2017}=\cfrac{1}{4}\cdot(-\cfrac{1}{2})^{2017-1}=\cfrac{1}{2^{2018}}\).

  • 上次編輯時間:2019-07-21*

  1. 當我們先選擇函數\(g(x)\)的區間為\([-2,-1]\)時,此時雖然能保證內函數\(g(x)\)單調遞增,但是此時內函數的值域\(g(x)\in [-2,2]\),其投射到外函數\(f(x)\)上時,就放置到了外函數\(f(x)\)的定義域\([-2,2]\)內,此時外函數的單調性不唯一,說明我們一開始選取的內函數的研究區間\([-2,-1]\)有些大了,所以需要壓縮;一直壓縮到\([-2,x_0]\),其中\(g(x_0)=-1\),這時候內函數的值域\(g(x)\in [-2,-1]\),剛好投射到外函數的單調遞增區間上,說明此時的區間選取是恰當合理的,其他的區間選取與此同理同法; ↩︎


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