设函数f(x)=−4x+2x+1−1f(x)=-4^{x}+2^{x+1}-1,g(x)=lg⁡(ax2−4x+1)g(x)=\lg(ax^{2}-4x+1),若对任意x1∈Rx_{1}\in R,都存在x2∈Rx_{2}\in R,使f(x1)=g(x2)f(x_{1})=g(x_{2}),则实数aa的最大值为()(\quad)
A. −4-4
B. 44
C. 00
D. 1616

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完整解法

1. 求解函数 $f(x)$ 的值域

设 t=2xt = 2^x,因为 x∈Rx \in \mathbb{R},所以 t>0t > 0。
将函数 f(x)f(x) 变形为关于 tt 的二次函数:
y=−t2+2t−1=−(t−1)2y = -t^2 + 2t - 1 = -(t - 1)^2
因为 t>0t > 0,所以当 t=1t = 1 时,yy 取得最大值 00。
又当 t→0+t \to 0^+ 或 t→+∞t \to +\infty 时,y→−∞y \to -\infty。
因此,函数 f(x)f(x) 的值域为 M=(−∞,0]M = (-\infty, 0]。

2. 转化题目的量词条件为值域包含关系

已知对任意 x1∈Rx_1 \in \mathbb{R},都存在 x2∈Rx_2 \in \mathbb{R},使 f(x1)=g(x2)f(x_1) = g(x_2)。
这说明函数 f(x)f(x) 的值域是函数 g(x)g(x) 值域的子集。
设 g(x)g(x) 的值域为 NN,则有 M⊆NM \subseteq N,即 (−∞,0]⊆N(-\infty, 0] \subseteq N。

3. 将 $g(x)$ 的值域要求转化为内层函数 $u(x)$ 的值域要求

令内层函数 u(x)=ax2−4x+1u(x) = ax^2 - 4x + 1。
由对数函数的性质可知,g(x)=lg⁡u(x)≤0  ⟺  0<u(x)≤1g(x) = \lg u(x) \le 0 \iff 0 < u(x) \le 1。
为了使 g(x)g(x) 的值域 NN 包含 (−∞,0](-\infty, 0],内层函数 u(x)u(x) 的函数值必须能够取遍区间 (0,1](0, 1] 上的所有实数。
即区间 (0,1](0, 1] 必须是 u(x)u(x) 值域(在 u(x)>0u(x) > 0 的部分)的子集。
注意到 u(0)=1u(0) = 1,即 11 必然在 u(x)u(x) 的值域内,因此只需 u(x)u(x) 能够取到趋近于 00 且大于 00 的所有值。

4. 对 $a$ 进行分类讨论,求解 $a$ 的范围并确定最大值

对二次项系数 aa 进行分类讨论:

  1. 当 a≤0a \le 0 时:
    • 若 a=0a = 0,u(x)=−4x+1u(x) = -4x + 1 的值域为 R\mathbb{R},显然能覆盖 (0,1](0, 1];
    • 若 a<0a < 0,抛物线开口向下,当 x→±∞x \to \pm\infty 时,u(x)→−∞u(x) \to -\infty。由于 u(0)=1u(0) = 1,由连续性可知 u(x)u(x) 的值域为 (−∞,1](-\infty, 1],其中包含 (0,1](0, 1]。
      综上,a≤0a \le 0 时均符合题意。
  2. 当 a>0a > 0 时:
    抛物线开口向上,对称轴为 x=2a>0x = \frac{2}{a} > 0,其最小值为:

ight) = 1 - \frac{4}{a} 要使 $u(x)$ 的值域覆盖 $(0, 1]$,其最小值必须小于或等于 $0$,即: 1 - \frac{4}{a} \le 0 \implies a \le 4$$
结合 a>0a > 0,得 0<a≤40 < a \le 4。

综合上述两种情况,实数 aa 的取值范围为 a≤4a \le 4。
因此,实数 aa 的最大值为 44。
本题答案选 B。

答案

B

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