本题导读
本题考查凸函数与凹函数的定义,以及狄利克雷函数的病态性质。
📌【题干】
Question
(2012年福建卷(理))
函数 在 上有定义,若对任意 ,有 ,则称 在 上具有性质 P.设 在 上具有性质 P,现给出如下命题:
① 在 上图像是连续不断的;
② 在 上具有性质 P;
③ 若 在 处取得最大值 1,则 ;
④ 对任意 ,有 .
其中真命题的序号是()
A. ①② B. ①③ C. ②④ D. ③④
🔍【思路分析】
破题导航
- ① 辨析:性质 P 只约束了中点处的函数值关系。在高等数学中,满足中点凸性的函数如果不加“可测”或“有界”的限制,可以是非常零碎的非连续病态函数。可通过构造类似狄利克雷函数的变体来寻找反例。
- ② 辨析:注意命题里的函数是 而不是 。若只是 限制在子区间 上,结论当然成立(子区间内的两点仍在大区间内);但换成 ,性质 P 要求的是 与 比大小,左端的自变量与 不是一回事,推不过去。
- ③ 辨析:在 (恰为区间 的中点)取得最大值。利用性质 P,任何两点中点值被两端均值卡位。若中点取到全局最高峰,则迫使两端点必须同时达到这一最高峰,从而通过不断取中点扩散至全区间,锁定原函数必为常数函数。
- ④ 辨析:这是典型的琴生不等式(Jensen’s Inequality)从 2 变量向 变量递推的代数过程。先将 4 变量两两配对视为 2 组中点,嵌套套用两次性质 P 公式即可证明。
✅【答案】
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D
✍【详细解析】
Abstract
我们对题目给出的四个命题进行严密的代数与逻辑论证:
① 命题辨析:假命题
满足性质 P(中点凸性)的函数在数学上不一定是连续的。
- 一个走不通的尝试:用狄利克雷式赋值(有理点取 、无理点取 )构造反例是行不通的——取一有理一无理,中点为无理点,左边 、右边 , 不成立,这恰恰破坏了性质 P。
- 严格的高等数学反例:利用哈梅尔基(Hamel basis),空间中存在高度病态的非线性函数满足 (从而必然满足中点严格相等性质 P),但该函数在任何区间上都处处不连续、处处无界。
因此,具有性质 P 无法推导出图象连续,①为假。
② 命题辨析:假命题
注意命题说的是 ,不是 。记 ,则 在 上具有性质 P,要求对任意 有
而 在 上具有性质 P,取 只能得到
两式左端不同:,而 未必单调,无法由后者推出前者。
反例:取 ,。此时
等号恒成立,故 在 上具有性质 P。但取 ,则
左端大于右端,违反性质 P 的定义。故 ② 为假。
③ 命题辨析:真命题
已知 在 上的最大值为 1,且在中点 处取得,即对于任意 ,都有 ,且 。
对于区间内任意关于 轴对称的两点 和 (其中 ),将其作为 代入性质 P 公式:
将 代入上式:
同时,由于 1 是全局最大值,所以这两个点处的函数值分别满足上限硬约束:
综合①式与②式的夹逼定量关系,必须满足:
要使两个不超过 1 的数相加刚好等于 2,唯一的代数可能只能是这两个数同时达到上限 1:
由于 具有任意性,这意味着在整个区间 上的每一个点,函数值都必须恒等于 1。
即 。故 ③ 为真。
④ 命题辨析:真命题
对于任意的四个自变量 ,我们采用两两分组配对法。
首先将 4 变量的中点平均数拆分为两组双变量中点形式的再平均:
第一步:对最外层的两组整体看作新变量,套用第一次性质 P 公式:
第二步:分别对右端的两个子项各自内部再次平行套用性质 P 公式:
第三步:将上述两个子项放缩式整体代回③式的括号中:
提取公因数 展开:
不等式完全成立。故 ④ 为真。
综上所述,真命题的序号为 ③和④。
故选 D
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:中点凸性性质的子集完备性、极大值在凸函数中点处的常数化夹逼论证、琴生不等式的二分法多维递推。
- 核心方法:双重结构夹逼法与变量配对法。证明类似③这种“极值迫使函数退化为常数”的结论,通过构造对称变元 和 ,利用“最大值限制上限”与“不等式限制下限”构成围堵,是处理高级抽象函数最有效的武器。
- 避坑指南:
- 凭直觉误选①:很多考生习惯性地认为高中阶段讨论的函数都是平滑、连续不断的。一看到性质 P 像抛物线一样弯曲,就主观认定图象一定连续,从而误选 A 或 B。切记没有声明连续或可导的抽象函数,绝对不能脑补其连续性。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 试题探源: 本题源于大学高等数学“数学分析”或“实变函数”中关于凸函数(Convex Functions)的经典定义。性质 P 就是著名的中点凸性(Midpoint Convexity)。
- 结论推广:
- 中点凸性多变元琴生不等式推广定理:若一具有定义域的抽象函数 满足标准性质 P。
- 则通过上述二分法无限迭代,该不等式可以无损推广到任意 个变量的均值形式。
- 更进一步,利用倒推法(Backward Induction),可以推广到任意正整数 个变量的完全一般化形式(即标准的琴生不等式):
$$f\left(\frac{x_1 + x_2 + \cdots + x_n}{n}\right) \le \frac{1}{n}[f(x_1) + f(x_2) + \cdots + f(x_n)]$$
- 牢记这一高等代数背景定理,不仅能在考场上快速得出性质 P 的多变量判断,更能深刻理解导数压轴大题中关于“凸性放缩”的几何本质。
🔗【关联脉络】
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