已知以
T=4 为周期的函数
f(x)={m1−x2,1−∣x−2∣,x∈(−1,1],x∈(1,3]. 其中
m>0. 若方程
3f(x)=x 恰有 5 个实数解,则
m 的取值范围为( )
\begin{answer}
B
\end{answer}
\begin{solution}
函数以 4 为周期,先考察一个基本周期
(−1,3]. 在
[0,1] 上,方程为
3m1−x2=x
由于
f(x)⩾0,方程的解必须满足
x⩾0,且
x=0 不满足方程,所以不必考察负半轴.
左端随
x 增大而减小、右端递增,且两端在
x=0 与
x=1 的大小关系相反,故恰有 1 根.
在
(1,3] 上,
f(x)=1−∣x−2∣. 当
1<x⩽2 时,方程为
3(x−1)=x,根为
x=23;当
2⩽x⩽3 时,方程为
3(3−x)=x,根为
x=49. 所以基本周期内已有 3 根.
对
k⩾1,在区间
(4k−1,4k+1] 上令
x=4k+t,则第一段方程化为
m=31−t24k+t,
−1<t<1.
记
hk(t)=31−t24k+t
其导数为
hk′(t)=3(1−t2)231+4kt
所以
hk 在
(−1,−(4k)1) 上递减,在
(−(4k)1,1) 上递增,并且两端趋于
+∞. 唯一最小值为
hk(−4k1)=316k2−1
因此第
k 个平移后的第一段有 2 个根当且仅当
m>316k2−1,有 1 个根当
m 等于该值,否则没有根.
当
k=1 时,产生 2 个根的条件是
m>315;当
k=2 时,产生根的临界值是
m=316⋅22−1=7
由于上述临界值随
k 增大而增大,若
m<7,只有
k=1 的第一段可能产生根;若
m⩾7,则至少还会产生第
k=2 段的根. 第二段中
3f(x)⩽3,而
x>4k+1⩾5,不可能有根. 因此总根数恰为
3+2=5 当且仅当
315<m<7
故选 B.
\end{solution}