1. 题型特点分析与求解通法
题目“若有f(x)+f((x-1)/x)=1+x,求抽象函数f(x)解析式”所代表的题型有什么特点呢?
1)f(x)为抽象函数,所以函数模型未知;
2)由于1),类似f(x)、f((x-1)/x)等项求不出具体结果,只能整体看作一个未知元;
因此,求解这类题目,一般通过解方程(组)来实现。
而解方程组的基本思想就是消元,即抵消掉不需要的未知量,而留下所需未知量。由此,求抽象函数式的解析式,本质上就是利用消元法来解方程组——消去复合函数f(g(x))项,而留下f(x)项。
更一般地,若有已知函数f(x)满足af(x)+bf(g(x))=c,其中g(x)可以是除x本身之外的以x表示的任意多项式,而a、b和c均非抽象函数、也不含抽象函数因子,可以是以x表示的任意多项式或常数,求f(x)解析式?下面我们将详细地论述此题的求解方法。
① 首先,观察方程af(x)+bf(g(x))=c,由于f(x)函数模型未知,所以f(x)和f(g(x)是通过直接法或待定系数法去解出来,换句话说,f(x)和f(g(x)都是未知,即二者作为一个整体被看作两个未知数。
② 因此,af(x)+bf(g(x))=c可看作是含有两个未知数f(x)和f(g(x))的方程。而该方程的其它项与系数可看作该方程的常数或参数——即非未知数或非‘元’。
③ 根据解方程思想,二元一次方程需要两个方程才能解出未知数,所以还需要一个方程组,怎么得到呢?
由于是求解f(x),所以被消元的必定是f(g(x)),因此目标很清晰——我们需要构造一个含f(g(x))的方程。
再次观察方程af(x)+bf(g(x))=c,把g(x)作为x的值代入该式,是最简单的构造出一个含f(g(x))的方程的方法——因任意g(x)替换f(x)中的x即得f(g(x)),即得:
af(g(x))+bf(g[g(x)])=c。
④ 联立该方程与原方程,即可消去f(g(x))而得到f(x)和f(g[g(x)])的方程。
⑤ 然后,根据f(g[g(x)])的不同情况:
(1)若由已知可把f(g[g(x)])变换为x的多项式或常数,则整理上一步所得方程既可得出f(x)的解析式。
(2)若由已知可把f(g[g(x)])变换为仅含未知数f(x)的多项式,则整理上一步所得方程也可得出f(x)的解析式。
(3)若f(g[g(x)])不是上述两种情形中的任意一种,则只需把f(g[g(x)])整体看作一个新的未知数,再回到步骤③,重复步骤③-⑤……直至出现本步骤(1)或(2)情形,即完成解答。
总之,由于af(x)+bf(g(x))=c的一般性,上述解题思路可称为此类题型的一般方法(或通法),如图。
提示1:可能有些同学对上述论述还未完全理解和抓住其本质,也不用着急,可以先看懂例1,再回头来理解这个通法就没问题了。掌握了这个通法,这类题型对你来说已完全变成送分题了。
提示2:上述分析过程中把f(x)、f(g(x))等看作一个整体并作为方程的‘元’的思想,有时也适用于其它抽象函数问题。如求f(1)或f(-1)值时,若求不出f(x)解析式,可考虑把它们看作一个整体去解方程。
2. 典型示例
例1 设对满足x不等于0、x不等于1的所有实数x,函数f(x)满足f(x)+f((x-1)/x)=1+x,求f(x)的解析式____。
解:依题意,(提示:参照上述通法,理解并抓住此类问题的本质)
已知,f(x)+f((x-1)/x)=1+x, (1)
(提示:为了消去f((x-1)/x),需再构造一个含f((x-1)/x)的方程)
把(x-1)/x作为x的值代入原式(即已知式),得:
f((x-1)/x)+f(((x-1)/x-1)/((x-1)/x))=1+(x-1)/x
整理得:
f((x-1)/x)+f(-1/(x-1))=1+(x-1)/x, (2)
(提示:理解——上述几行的唯一目的就是得到一个含f((x-1)/x)的方程)
(1)-(2)得:
f(x) -f(-1/(x-1)) = 1+x – 1-(x-1)/x = x+1/x-1, (3)
(提示:注意,上述过程中多出了一个新的未知项f(-1/(x-1))。不用担心,再按上述方法消去既可!为了消去f(-1/(x-1)),需再构造一个含f(-1/(x-1))的方程)
把-1/(x-1)作为x的值代入原式,得:
f(-1/(x-1)) - f(1-1/[-1/(x-1))] = 1-1/(x-1)
整理得:
f(-1/(x-1))+f(x)= 1-1/(x-1), (4)
(提示:上式(4)没有新增抽象函数,而是出现了待求的f(x),这意味着方程可解出来了。本题解答中做了两次代换才解出来了,一般一次代换既可;而三次以上的很少遇到——即使遇到了,只不过利用通法多代换几次而已)
讲解: (提示:待定系数法例题)
① 本题为前述抽象函数求解析式的求解通法的典型应用,详见上文的通法说明。
例6 已知函数f(x)定义域为R,且f(0)=1,对任意x,y∈R恒有f(x-y)=f(x)-1/3×y^2×(2x-y+3),求函数f(x)的表达式;
解:因为f(0)=1,对任意x,y∈R恒有f(x-y)=f(x)-1/3×y^2×(2x-y+3),
∴令y=x,代入可得f(0)= f(x)-1/3×x^2×(2x-x+3),
∴整理得:f(x)=x^3/3 + x^2 + 1。
讲解: (提示:特殊值法例题)
① 本题利用“特殊值法”,代入y=x后,巧妙、便捷地求出了解析式。
② 虽然这类题看上去刻意或人为的成分很重,但其解法体现的思维和思路在类似题型中仍具有广泛适用性。所以,要领会其要领——要仔细观察题目特征,包括代数式和已知条件,如本题代数式有两个未知数x和y(一般情形下求解时需要两个方程才能消元),同时又给出f(0)=1——仔细琢磨这两点之间的联系,不难想到令x-y=0即y=x即可消去y,而又已知f(0) = 1 = f(x-y)。所以,与其说这解法巧妙,还不如说出题人有意为之,由此我们逆袭思维,就知道这实际上暗示了解题的线索。
③ 虽然本题看上去与通法所应用的题型不同,但其实质是一样的:
1)已知式中f(x)、f(x-y)无法直接求出,所以原式等于多了两个未知数(加上x、y共四个);
2)依题意,最终要得到f(x)的方程式,所以要把f(x-y)、含y的项处理掉。这里处理掉f(x-y)、含y的项的技巧也差不多,用x替换y既可。这么做的线索来自已知条件f(0);
3)最后,解方程既可得到f(x)的解析式。
特别说明:“若有f(x)+f((x-1)/x)=1+x,求f(x)解析式”是在必修1第11讲的讲解中提到的题目(不是例题),有同学看到后问这道题该怎么做,所以特写此文详细解答一遍。此事也说明该同学学习态度很好,非常认真。若同学们平时学习遇到疑难问题包括测评或大考的错题,都可发消息给我或联系我,我每周会从中抽2-3道典型题予以详解并发表到公众号上。