Question

設f（x）是定義在區(qū)間D上的函數(shù)，若對任何實數(shù)α∈（0，1）以及D中的任意兩個實數(shù)x₁，x₂，恒有f（αx₁+（1-α）x₂）≤αf（x₁）+（1-α）f（x₂），則稱f（x）為定義在D上的C函數(shù)．
（Ⅰ）試判斷函數(shù)f1(x)=x2，f2=

1

x

(x＜0)是否為各自定義域上的C函數(shù)，并說明理由；
（Ⅱ）已知f（x）是R上的C函數(shù)，m是給定的正整數(shù)，設a_n=f_n，n=0，1，2，…，m，且a₀=0，a_m=2m．記S_f=a₁+a₂+…+a_m對于滿足條件的任意函數(shù)f（x），試求S_f的最大值；
（Ⅲ）若g（x）是定義域為R的函數(shù)，且最小正周期為T，試證明g（x）不是R上的C函數(shù)．

Answer 1

分析：（Ⅰ）f₁（x）=x²是C函數(shù)，直接找f（αx₁+（1-α）x₂）-αf（x₁）-（1-α）f（x₂），推出其小于等于0即可； f2(x)=

1

x

(x＜0)不是C函數(shù)，采用舉反例的方法即可，x₁=-3，x₂=-1，α=

1

2

．
（Ⅱ）先根據定義求出a_n=f（n）的范圍，再結合定義即可求出S_f的最大值即可．
 （Ⅲ）假設g（x）是R上的C函數(shù)．若存在m＜n且m，n∈[0，T]使得g（m）≠g（n）．分g（m）＜g（n），g（m）＞g（n），利用反證法，可以證明g（x）不是R上的C函數(shù)．

解答：解：（Ⅰ）：f₁（x）=x²是C函數(shù)，證明如下：
對任意實數(shù)x₁，x₂及α∈（0，1），
有f（αx₁+（1-α）x₂）-αf（x₁）-（1-α）f（x₂）=（αx₁+（1-α）x₂）²-αx₁²-（1-α）x₂²=-α（1-α）x₁²-α（1-α）x₂²+2α（1-α）x₁x₂=-α（1-α）（x₁-x₂）²≤0．
即f（αx₁+（1-α）x₂）≤αf（x₁）+（1-α）f（x₂）．
∴f₁（x）=x²是C函數(shù)．
f2(x)=

1

x

(x＜0)不是C函數(shù)，證明如下：
取x₁=-3，x₂=-1，α=

1

2

，
則f（αx₁+（1-α）x₂）-αf（x₁）-（1-α）f（x₂）=f(-2)-

1

2

f(-3)-

1

2

f(-1)=-

1

2

+

1

6

+

1

2

＞0．
即f（αx₁+（1-α）x₂）＞αf（x₁）+（1-α）f（x₂）．
∴f2(x)=

1

x

(x＜0)不是C函數(shù)．
（Ⅱ）對任意0≤n≤m，取x₁=m，x₂=0，α=

n

m

∈[0，1]．
∵f（x）是R上的下凸函數(shù)，a_n=f（n），且a₀=0，a_m=2m
∴a_n=f（n）=f（αx₁+（1-α）x₂）≤αf（x₁）+（1-α）f（x₂）=

n

m

×2m=2n．
那么S_f=a₁+a₂+…+a_m≤2×（1+2+…+m）=m²+m．
可證f（x）=2x是C函數(shù)，且使得a_n=2n（n=0，1，2，…，m）都成立，此時S_f=m²+m．
綜上所述，S_f的最大值為m²+m．
（Ⅲ）假設g（x）是R上的C函數(shù)．
若存在m＜n且m，n∈[0，T]使得g（m）≠g（n）．
若g（m）＜g（n），記x1=m，x2=m+T，α=1-

n-m

T

，則0＜α＜1，且n=αx₁+（1-α）x₂
那么g（n）=g[αx₁+（1-α）x₂]≤αg（x₁）+（1-α）g（x₂）=g（m）
這與g（m）＜g（n）矛盾．
若g（m）＞g（n），
記x1=n，x2=n-T，α=1-

n-m

T

也可得到矛盾．
∴g（x）在[0，T]上是常數(shù)函數(shù)，又因為g（x）是周期為T的函數(shù)，所以g（x）在R上是常數(shù)函數(shù)，這與g（x）的最小正周期為T矛盾．
所以g（x）不是R上的C函數(shù)． （14分）

點評：本題主要是在新定義下考查恒成立問題．恒成立問題一般有兩種情況，一是f（x）＞a恒成立，只須比f（x）的最小值小即可，二是f（x）＜a恒成立，只須比f（x）的最大值大即可．