分段函数单调递减条件解析
2025/08/13·StepFun can make mistakes, check important info.
思考过程
首先,题目给出分段函数:
f(x)={(a−2)x+3,x2a,x≤1x>1
要求在 (−∞,+∞) 上是减函数(即单调递减函数),求参数 a 的取值范围。选项为 A. (0,1),B. (0,1],C. (1,2),D. [1,2)。
步骤1:理解“减函数”的定义
减函数的定义是:对定义域内任意 x1<x2,都有 f(x1)≥f(x2)(严格减函数则为 f(x1)>f(x2),但题目未明确“严格”,需考虑非严格减)。但结合选项和常见考法,这里默认要求严格减函数(即 f(x1)>f(x2) 当 x1<x2),因为非严格减的约束更宽松,而选项更偏向严格减的约束。
步骤2:分段函数的单调性要求
分段函数在 (−∞,+∞) 上单调递减,需满足三个条件:
- 每一段内部单调递减;
- 分段点 x=1 处的函数值连续性(或左极限不小于右极限,保证整体单调性);
- 分段点左侧的函数值不小于右侧的函数值(即 f(1)≥f(1+),其中 f(1+) 是 x=1 处的右极限)。
步骤3:分析每一段内部的单调性
(1)左侧段:x≤1 时,f(x)=(a−2)x+3
这是一个一次函数,其单调性由斜率 k=a−2 决定:
- 若 k<0,则一次函数单调递减;
- 若 k=0,则函数为常函数(不满足严格减);
- 若 k>0,则函数单调递增(不满足减函数要求)。
因此,左侧段单调递减的充要条件是:
a−2<0⟹a<2
(2)右侧段:x>1 时,f(x)=x2a
这是一个反比例函数,其单调性由系数 2a 的符号决定:
- 对 x>1,x1 是单调递减的正函数(因为 x 增大时,x1 减小)。
- 因此,x2a 的单调性取决于 2a 的符号:
- 若 2a>0(即 a>0),则 x2a 随 x 增大而单调递减;
- 若 2a=0(即 a=0),则 f(x)=0(常函数,不满足严格减);
- 若 2a<0(即 a<0),则 x2a 随 x 增大而单调递增(不满足减函数要求)。
因此,右侧段单调递减的充要条件是:
2a>0⟹a>0
步骤4:分析分段点 x=1 处的函数值关系
(1)计算分段点的函数值与极限值
- 左侧在 x=1 处的函数值:f(1)=(a−2)×1+3=a+1;
- 右侧在 x=1 处的右极限:limx→1+f(x)=limx→1+x2a=2a(因为 x>1 时函数连续)。
(2)保证整体单调性的条件
对于任意 x1<1<x2,要满足 f(x1)≥f(x2),特别地,当 x1=1、x2→1+ 时,需满足:
f(1)≥limx→1+f(x)⟹a+1≥2a
解这个不等式:
a+1≥2a⟹1≥a⟹a≤1
步骤5:综合所有条件
将每一步的约束条件结合:
- 左侧段单调递减:a<2;
- 右侧段单调递减:a>0;
- 分段点处函数值关系:a≤1。
取这三个条件的交集:
0<a≤1
步骤6:验证选项
选项 B 是 (0,1],与推导结果一致。
最终结论
a 的取值范围是 (0,1],对应选项 B。
要解决这个问题,我们需要确保分段函数 f(x) 在 (−∞,+∞) 上是减函数(单调递减)。以下是详细步骤:
步骤1:明确“减函数”的定义
减函数要求:对定义域内任意 x1<x2,都有 f(x1)≥f(x2)(本题默认严格减函数,即 f(x1)>f(x2))。
步骤2:分析分段函数的单调性条件
分段函数 f(x) 在 (−∞,+∞) 上单调递减,需满足三个核心条件:
- 每一段内部单调递减;
- 分段点 x=1 处,左侧函数值不小于右侧极限值(保证整体单调性)。
步骤3:分析左侧段 (x≤1) 的单调性
左侧段为一次函数:f(x)=(a−2)x+3。
一次函数的单调性由斜率 k=a−2 决定:
- 若 k<0,则函数单调递减;
- 若 k=0,则为常函数(不满足严格减);
- 若 k>0,则函数单调递增(不满足减函数要求)。
因此,左侧段单调递减的充要条件是:
a−2<0⟹a<2
步骤4:分析右侧段 (x>1) 的单调性
右侧段为反比例函数:f(x)=x2a。
反比例函数的单调性由系数 2a 的符号决定(x>1 时,x1 是单调递减的正函数):
- 若 2a>0(即 a>0),则 x2a 随 x 增大单调递减;
- 若 2a=0(即 a=0),则 f(x)=0(常函数,不满足严格减);
- 若 2a<0(即 a<0),则 x2a 随 x 增大单调递增(不满足减函数要求)。
因此,右侧段单调递减的充要条件是:
2a>0⟹a>0
步骤5:分析分段点 x=1 处的函数值关系
分段点 x=1 处的函数值需满足“左侧值 ≥ 右侧极限值”,保证整体单调性:
- 左侧在 x=1 处的函数值:f(1)=(a−2)×1+3=a+1;
- 右侧在 x=1 处的右极限:limx→1+f(x)=limx→1+x2a=2a(因 x>1 时函数连续)。
因此,需满足:
f(1)≥limx→1+f(x)⟹a+1≥2a
解此不等式:
a+1≥2a⟹1≥a⟹a≤1
步骤6:综合所有条件
将每一步的约束条件结合:
- 左侧段单调递减:a<2;
- 右侧段单调递减:a>0;
- 分段点处函数值关系:a≤1。
取这三个条件的交集:
0<a≤1
步骤7:匹配选项
选项中 (0,1] 对应条件 0<a≤1,因此答案是 B。
综上,a 的取值范围是 (0,1],对应选项 B。