函数$f(x)$是定义域$\mathbf{R}$上的单调递增函数,图像同时关于两个点$(a,b)$和$(c,d)$对称($a,b,c,d$互不相等),证明:存在实数$k$和$M$,满足:$|f(x)-kx|\leq{M}$恒成立.
证明:由$f(x)$关于$(a,b)$对称:$f(x)+f(2a-x)=2b$,同理$f(x)+f(2c-x)=2d$,两式相减得
$$f(2a-x)-f(2c-x)=2b-2d$$
$$\Rightarrow{f(2a-2c+x)=f(x)+2b-2d}$$
设$g(x)=f(x)-\dfrac{b-d}{a-c}x-\dfrac{ad-bc}{a-c}$,则可得
$$g(x+2a-2c)=g(x)$$
不妨设$a>c$,则$[2c-a,a]$是$g(x)$的一个周期.
在$[c,a]$上,$f(x)\in[d,b]$且$\dfrac{b-d}{a-c}x+\dfrac{ad-bc}{a-c}\in[d,b]$,故$g(x)\in[d-b,b-d]$.
由对称性,在$[2c-a,c]$上,$g(x)\in[d-b,b-d]$,故取$k=\dfrac{b-d}{a-c},M=b-d+\left|\dfrac{ad-bc}{a-c}\right|$即满足$|f(x)-kx|\leq{M}$恒成立.
注:题目中给出的条件“$f(x)$在$\mathbf{R}$上递增”是为了排除$f(x)=\tan{x}+x$等在一段“周期”内都无界的函数。所以,把单调增的条件改为“$f(x)$在$\mathbf{R}$上连续”也使得命题成立,但证明需要用到数学分析中“连续函数在闭区间上有界”的结论.