Question

對于函數y=f（x）與常數a，b，若f（2x）=af（x）+b恒成立，則稱（a，b）為函數f（x）的一個“P數對”；若f（2x）≥af（x）+b恒成立，則稱（a，b）為函數f（x）的一個“類P數對”．設函數f（x）的定義域為R⁺，且f（1）=3．
（1）若（1，1）是f（x）的一個“P數對”，求f（2ⁿ）（n∈N*）；
（2）若（-2，0）是f（x）的一個“P數對”，且當x∈[1，2）時f（x）=k-|2x-3|，求f（x）在區間[1，2ⁿ）（n∈N*）上的最大值與最小值；
（3）若f（x）是增函數，且（2，-2）是f（x）的一個“類P數對”，試比較下列各組中兩個式子的大小，并說明理由．
①f（2^-n）與2^-n+2（n∈N*）；
②f（x）與2x+2（x∈（0，1]）．

Answer 1

（1）若（1，1）是f（x）的一個“P數對”，即f（2x）=f（x）+1恒成立，整理f（2x）-f（x）=1，令x=2^k，則f（2^k+1）-f（2^k）=1，
所以f（2），f（4），f（8），…f（2ⁿ）構成公差為1的等差數列，
令x=1得f（2）=f（1）+1=4，所以f（2ⁿ）=4+（n-1）×1=n+3
（2）當x∈[1，2）時f（x）=k-|2x-3|，令x=1，則f（1）=k-1=3，解得k=4，即當x∈[1，2）時f（x）=4-|2x-3|，所以f（x）在[1，2）上的取值范圍是[3，4]，
又（-2，0）是f（x）的一個“P數對”，即f（2x）=-2f（x）恒成立，當x∈[2^k-1，2^k）（k∈N*）時，

x

2k-1

∈[1，2）
f（x）=-2f（

x

2

）=4f（

x

4

）=…=（-2）^k-1f（

x

2k-1

），
故當k為奇數時，f（x）在[2^k-1，2^k）上的取值范圍是[3×2^k-1，2^k+1]
當k為偶數時，f（x）在[2^k-1，2^k）上的取值范圍是[-2^k+1，-3×2^k-1]
所以當n=1時，f（x）在區間[1，2ⁿ）上的最大值為4，最小值為3．
當n為不小于3的奇數時，f（x）在區間[1，2ⁿ）上的最大值為2ⁿ⁺¹，最小值為-2ⁿ
n為不小于2的偶數時，f（x）在區間[1，2ⁿ）上的最大值為2ⁿ，最小值為-2ⁿ⁺¹．
（3）（2，-2）是f（x）的一個“類P數對”，可知f（2x）≥2f（x）-2恒成立．即f（x）≤

1

2

f（2x）+1恒成立．
令x=

1

2k

，則得f（

1

2k

）≤

1

2

f(

1

2k-1

)+1
即f(

1

2k

)-2≤

1

2

[f(

1

2k-1

)-2]對一切k∈N*恒成立．
所以f(

1

2n

)-2≤

1

2

[f(

1

2n-1

)-2]≤

1

4

[f(

1

2k-2

)-2]≤…≤

1

2n

[f(1)-2]=

1

2n

故f（2^-n）≤2^-n+2（n∈N*）；
若x∈（0，1]），則必存在n∈N*，使得∈（

1

2n

，

1

2n-1

]，由f（x）是增函數，故f（x）≤f（

1

2n-1

）≤

1

2n-1

+2
又2x+2＞2×

1

2x

+2=

1

2x-1

+2，故有f（x）＜2x+2