本题导读

本题考查函数的迭代与映射。核心在于迭代计算法、构造函数法的灵活运用。

📌【题干】

Question

(2001年上海卷(理)) 对任意函数 ,,可按图示构造一个数列发生器,其工作原理如下: ① 输入数据 ,经数列发生器输出 ; ② 若 ,则数列发生器结束工作;若 ,则将 反馈回输入端,再输出 ,并依此规律继续下去.现定义 .

(1) 若输入 ,则由数列发生器产生数列 .请写出数列 的所有项;

(2) 若要数列发生器产生一个无穷的常数数列,试求输入的初始数据 的值;

(3) 若输入 时,产生的无穷数列 满足:对任意正整数 均有 ,求 的取值范围.

🔍【思路分析】

破题导航

  1. 确定定义域:由 可知,定义域 。
  2. 第一问:依次将数值代入解析式迭代,直到输出的值为 时触发终止条件,列出所有生成的项。
  3. 第二问:产生无穷常数数列意味着 恒成立,转化为求解函数的不动点方程 。
  4. 第三问:将单调递增条件 转化为 。解出不等式后,必须结合“无穷数列”(即始终不越界)验证区间的封闭性,剔除会导致后续项不单调的伪区间,最后反解出 的范围。

✅【答案】

Success

(1)

(2) 或

(3)

✍【详细解析】

Abstract

分析函数定义域与第 (1) 问计算 函数 的定义域为 。 当输入 时: 由于 ,继续反馈迭代: 由于 ,继续反馈迭代: 此时 ,数列发生器结束工作。 因此,产生的数列 的所有项为: 。

解答第 (2) 问(无穷常数数列) 若产生无穷常数数列,则对任意 ,均有 ,即 必须是函数 的不动点。 令 ,即: 去分母化简得: 解此一元二次方程得: 或 。 检验: 且 ,均在定义域 内。 故初始数据 的值为 或 。

解答第 (3) 问(无穷严格递增数列) 由题意,对任意正整数 均有 ,即 。 构造不等式 : 等价于: 解得 的范围为: 或 。

即对于任意正整数 , 必须落在区间 内。 下面验证该区间内的项是否能持续满足条件:

  1. 若 :此时 。由解析式分离常数得 。由于 , ,故 。 一旦 ,则 。此时 ,即 ,这就破坏了“对任意正整数 均有递增”的要求。因此,整个序列中不能有任何一项小于 。
  2. 若 :此时 。 即若 ,则 。区间 是该迭代的闭合稳定域。

因此,必须且只需 。 即 : 将不等式分为两部分:

  • 或

取两部分的交集,得到 的取值范围为:

(1) 数列的所有项为 ; (2) 的值为 或 ; (3) 的取值范围是 。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:迭代数列的项值推导;不动点方程 的应用;单调性条件 与区间稳定性的联合审查。
  2. 核心方法:分离常数法( )判定区间映射规律。
  3. 避坑指南:
  • 终止条件漏项陷阱:在第 (1) 问中,发生器“输出 后判定是否在 内”。当 时,它已经被输出然后触发停机,因此 是生成的最后一项,不能漏写。
  • 单调性假区间陷阱:解出 也满足 时,极易将其直接并入答案。迭代数列的全局单调性必须审查“映射区间的封闭性”。小于 的数迭代一次就会跳到大于 4 的区间,导致下一步单调性反转。必须严密剔除该伪稳定域。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源:本题为压轴级的数列与函数综合题,通过引入“数列发生器”的算法框图外壳,考查动力系统(Dynamical Systems)中最基础的一维离散映射性质。
  2. 结论推广: 对于分式线性映射 ,通过求解其不动点 ,可借助变量代换 将其转化为等比数列形式 进行通项的闭式求解。

🔗【关联脉络】

Multi column