已知f(x)为一元二次函数,且a,f(a),f(f(a)),f(f(f(a)))为正项等比数列,求证:f(a)=a.
分析与解 证法一 设f(x)=mx2+nx+t(m≠0),数列a,f(a),f(f(a)),f(f(f(a)))的公比为q(q>0),则f(a)=aq,f(f(a))=f(aq)=aq2,f(f(f(a)))=f(aq2)=aq3,
所以{ma2+na+t=aq⋯(1)m(aq)2+naq+t=aq2⋯(2)m(aq2)2+naq2+t=aq3⋯(3)
(1)−(2)得ma2(1−q2)+na(1−q)=aq(1−q),
(2)−(3)得ma2q2(1−q2)+naq(1−q)=aq2(1−q).
若q=1,则f(a)=a;
若q≠1,则ma2(1+q)+na=aq与ma2q(1+q)+na=aq矛盾.所以f(a)=a.
证法二 由a,f(a),f(f(a)),f(f(f(a)))成等比数列得f(a)a=f(f(a))f(a)=f(f(f(a)))f(f(a)),
下面用反证法,若f(a)≠a,则有f(f(a))−f(a)f(a)−a=f(f(f(a)))−f(f(a))f(f(a))−f(a).
所以,三点A(a,f(a)),B(f(a),f(f(a))),C(f(f(a)),f(f(f(a))))满足kAB=kBC,
所以A,B,C三点共线,与A,B,C三点在抛物线上矛盾,所以f(a)=a.
证法三 设数列a,f(a),f(f(a)),f(f(f(a)))的公比为q(q>0),考虑方程f(x)=qx,则a,qa,q2a都是它的解.
因为方程f(x)=qx为一元二次方程,所以a,qa,q2a中至少有两个数相等,又因为q>0,所以只可能有q=1,从而f(a)=a.