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分式函数与对勾函数

拓展更新于 2026-09-29

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把分式拆成“常数加倒数”,可以直接看出中心、定义域和变化趋势。

分式线性函数

若 c≠0c\ne0 且 ad−bc≠0ad-bc\ne0,

ax+bcx+d=ac+bc−adc21x+d/c.\frac{ax+b}{cx+d}=\frac ac+\frac{bc-ad}{c^2}\frac1{x+d/c}.

它是反比例函数的平移与伸缩,定义域排除 x=−d/cx=-d/c,值域排除 y=a/cy=a/c,对称中心为 (−d/c,a/c)(-d/c,a/c)。若 ad−bc=0ad-bc=0,则在原定义域上是常函数,但被排除的点仍不能补入原函数。

对勾函数的代数比较

对 a>0a>0,令 f(x)=x+a/xf(x)=x+a/x,x>0x>0。若 0<u<v0<u<v,则

f(v)−f(u)=(v−u)(1−auv).f(v)-f(u)=(v-u)\left(1-\frac a{uv}\right).

由此可知它在 (0,a](0,\sqrt a] 递减、在 [a,+∞)[\sqrt a,+\infty) 递增,最小值 2a2\sqrt a。最小值恰在 x=ax=\sqrt a 取得。因 ff 为奇函数,负半轴上的性质为:在 (−∞,−a](-\infty,-\sqrt a] 严格递增,在 [−a,0)[-\sqrt a,0) 严格递减;最大值为 −2a-2\sqrt a,恰在 x=−ax=-\sqrt a 取得。两个分支均连续且向远端或靠近零点时无界,因此在全体非零实数上的值域为

(−∞,−2a]∪[2a,+∞).(-\infty,-2\sqrt a]\cup[2\sqrt a,+\infty).

若 a=0a=0 但仍保留原式 x+a/xx+a/x 的定义域,函数为去掉零点的 y=xy=x。若 a<0a<0,同一作差式在每个半轴都为正,函数在两半轴分别严格递增;每个分支的值域均为 R\mathbb R,没有最大值或最小值。不能把 a>0a>0 的极值公式照搬过来。

例

f(x)=(2x+1)/(x−1)=2+3/(x−1)f(x)=(2x+1)/(x-1)=2+3/(x-1),其图像中心为 (1,2)(1,2)。解 f(x)=5f(x)=5 得 x=2x=2;f(x)=2f(x)=2 无解。

双勾函数:先作平方换元

设 a>0a>0,研究

g(x)=x2+ax2,x≠0.g(x)=x^2+\frac a{x^2},\qquad x\ne0.

令 t=x2>0t=x^2>0,就得到 t+a/tt+a/t。根据正半轴上的对勾函数结论,最小值为 2a2\sqrt a,取等要求 x2=ax^2=\sqrt a,即 x=±a4x=\pm\sqrt[4]a。值域为 [2a,+∞)[2\sqrt a,+\infty)。

在正半轴,x2x^2 随 xx 严格递增,故 gg 在 (0,a4](0,\sqrt[4]a] 递减,在 [a4,+∞)[\sqrt[4]a,+\infty) 递增。在负半轴,平方换元方向相反,故 gg 在 (−∞,−a4](-\infty,-\sqrt[4]a] 递减,在 [−a4,0)[-\sqrt[4]a,0) 递增。

这个函数是偶函数,两侧图像关于纵轴对称。换元不仅用于计算极值,还须用它的单调方向把结果传回原变量。

区间上的分式变换族:复合、固定点与刚性

设

fa(x)=x−a1−ax,∣a∣<1,−1<x<1.f_a(x)=\frac{x-a}{1-ax},\qquad |a|<1,\quad -1<x<1.

分母 1−ax>01-ax>0,并且

1−fa(x)2=(1−a2)(1−x2)(1−ax)2>0,1-f_a(x)^2=\frac{(1-a^2)(1-x^2)}{(1-ax)^2}>0,

所以 faf_a 把 (−1,1)(-1,1) 映到自身。直接代入并合并分式得

fa(fb(x))=fc(x),c=a+b1+ab.f_a(f_b(x))=f_c(x),\qquad c=\frac{a+b}{1+ab}.

1+ab>01+ab>0,且 1−c2=(1−a2)(1−b2)/(1+ab)2>01-c^2=(1-a^2)(1-b^2)/(1+ab)^2>0,所以新参数仍在 (−1,1)(-1,1),复合仍属于这一族。取 b=−ab=-a 得逆函数 f−af_{-a}。

若 fa(fb(x))=fb(x)f_a(f_b(x))=f_b(x) 对所有 xx 成立,因 fbf_b 满射到 (−1,1)(-1,1),fa(y)=yf_a(y)=y 对所有 yy 成立。通分得到 a(y2−1)=0a(y^2-1)=0,故 a=0a=0,faf_a 为恒等映射。

再设实数 λ∉{0,1}\lambda\notin\{0,1\},且存在 ∣d∣<1|d|<1 使 λfa+(1−λ)fb=fd\lambda f_a+(1-\lambda)f_b=f_d 在 (−1,1)(-1,1) 上恒成立。代 x=0x=0 得 d=λa+(1−λ)bd=\lambda a+(1-\lambda)b。对任意参数 aa 有

fa(x)+ax=1−a21−ax(x≠0).\frac{f_a(x)+a}{x}=\frac{1-a^2}{1-ax}\quad(x\ne0).

将函数等式减去在零点的值、除以非零的 xx,得到

λ(1−a2)1−ax+(1−λ)(1−b2)1−bx=1−d21−dx.\frac{\lambda(1-a^2)}{1-ax}+\frac{(1-\lambda)(1-b^2)}{1-bx} =\frac{1-d^2}{1-dx}.

乘以三个非零分母,得到

λ(1−a2)(1−bx)(1−dx)+(1−λ)(1−b2)(1−ax)(1−dx)=(1−d2)(1−ax)(1−bx).\begin{aligned} &\lambda(1-a^2)(1-bx)(1-dx)\\ &\quad +(1-\lambda)(1-b^2)(1-ax)(1-dx)\\ &=(1-d^2)(1-ax)(1-bx). \end{aligned}

两边之差是至多二次多项式,在区间内无穷多个非零 xx 处为零,故是零多项式。这时比较常数项,合法地得到 d2=λa2+(1−λ)b2d^2=\lambda a^2+(1-\lambda)b^2。再代入 d=λa+(1−λ)bd=\lambda a+(1-\lambda)b,整理为

λa2+(1−λ)b2−[λa+(1−λ)b]2=λ(1−λ)(a−b)2=0.\lambda a^2+(1-\lambda)b^2-[\lambda a+(1-\lambda)b]^2 =\lambda(1-\lambda)(a-b)^2=0.

由于 λ∉{0,1}\lambda\notin\{0,1\},必有 a=ba=b。证明使用多项式恒等式,不需要在函数学习初期引入导数或极限。这也说明此函数族对复合封闭,却一般不对线性组合封闭。

分式线性函数的对合与两个不动点

设

f(x)=ax+bcx+d,c≠0,ad−bc≠0,f(x)=\frac{ax+b}{cx+d},\qquad c\ne0,\quad ad-bc\ne0,

自然定义域为 R∖{−d/c}\mathbb R\setminus\{-d/c\}。行列式非零保证它不是常函数。若 f(f(x))=xf(f(x))=x 在复合有意义处恒成立,通分后得到恒等多项式

−c(a+d)x2+(a2−d2)x+b(a+d)=0.-c(a+d)x^2+(a^2-d^2)x+b(a+d)=0.

因为 c≠0c\ne0,二次项系数给出 a+d=0a+d=0;反过来,a+d=0a+d=0 且 ad−bc≠0ad-bc\ne0 时,把分式代入即可得到 f(f(x))=xf(f(x))=x。此时定义域与值域都为 R∖{a/c}\mathbb R\setminus\{a/c\},复合对其中每点都有意义。

若还有两个不动点 19,9719,97,不动点方程为

cx2+(d−a)x−b=0.cx^2+(d-a)x-b=0.

由根与系数关系,(a−d)/c=116(a-d)/c=116,−b/c=1843-b/c=1843。结合 d=−ad=-a 得 a/c=58,d/c=−58,b/c=−1843a/c=58,d/c=-58,b/c=-1843,故

f(x)=58x−1843x−58=58+1521x−58,x≠58.f(x)=\frac{58x-1843}{x-58}=58+\frac{1521}{x-58},\qquad x\ne58.

验算:f(x)−58=1521/(x−58)f(x)-58=1521/(x-58),再次代入得到 f(f(x))−58=x−58f(f(x))-58=x-58;19,9719,97 到中心 5858 的距离均为 3939,而 392=152139^2=1521,所以确为两个不动点。若题目只给两个不动点却未给对合条件,一般不能据此唯一确定分式。

指数与分式复合:奇偶性、单调性和值域的独立验证

设 a>1a>1,

f(x)=ax−1ax+1,x∈R.f(x)=\frac{a^x-1}{a^x+1},\qquad x\in\mathbb R.

(1) 定义域对称,且把 f(−x)f(-x) 的分子分母同乘 ax>0a^x>0,得到

f(−x)=1−ax1+ax=−f(x),f(-x)=\frac{1-a^x}{1+a^x}=-f(x),

所以为奇函数。

(2) 若 x<yx<y,则 0<ax<ay0<a^x<a^y,通分有

f(y)−f(x)=2(ay−ax)(ay+1)(ax+1)>0.f(y)-f(x)=\frac{2(a^y-a^x)}{(a^y+1)(a^x+1)}>0.

故它在整个实数域上严格递增。

(3) 令 t=axt=a^x,tt 恰好遍历 (0,+∞)(0,+\infty),且 f(x)=1−2/(t+1)f(x)=1-2/(t+1),因此必有 −1<f(x)<1-1<f(x)<1。反过来,对任意 −1<y<1-1<y<1,取 t=(1+y)/(1−y)>0t=(1+y)/(1-y)>0,再取 x=log⁡atx=\log_a t,便有 f(x)=yf(x)=y。所以值域恰好为 (−1,1)(-1,1),两端均不能取到。仅证明上下界不能代替这一步可达性证明。

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