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10函数与初等函数★★★★★
已知以 T=4T = 4 为周期的函数
f(x)={m1−x2,x∈(−1,1],1−∣x−2∣,x∈(1,3].f(x) = \begin{cases} m\sqrt{1 - x^{2}}, & x \in (-1, 1],\\ 1 - |x - 2|, & x \in (1, 3]. \end{cases}
其中 m>0m > 0. 若方程 3f(x)=x3f(x) = x 恰有 5 个实数解,则 mm 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](-1,3]. 在 [0,1][0,1] 上,方程为
3m1−x2=x3m\sqrt{1-x^{2}}=x
由于 f(x)⩾0f(x)\geqslant0,方程的解必须满足 x⩾0x\geqslant0,且 x=0x=0 不满足方程,所以不必考察负半轴. 左端随 xx 增大而减小、右端递增,且两端在 x=0x=0 与 x=1x=1 的大小关系相反,故恰有 1 根.
在 (1,3](1,3] 上,f(x)=1−∣x−2∣f(x)=1-|x-2|. 当 1<x⩽21<x\leqslant2 时,方程为 3(x−1)=x3(x-1)=x,根为 x=32x=\frac{3}{2};当 2⩽x⩽32\leqslant x\leqslant3 时,方程为 3(3−x)=x3(3-x)=x,根为 x=94x=\frac{9}{4}. 所以基本周期内已有 3 根.
对 k⩾1k\geqslant1,在区间 (4k−1,4k+1](4k-1,4k+1] 上令 x=4k+tx=4k+t,则第一段方程化为 m=4k+t31−t2m=\frac{4k+t}{3\sqrt{1-t^{2}}},−1<t<1-1<t<1. 记
hk(t)=4k+t31−t2h_k(t)=\frac{4k+t}{3\sqrt{1-t^{2}}}
其导数为
hk′(t)=1+4kt3(1−t2)32h_k'(t)=\frac{1+4kt}{3(1-t^{2})^{\frac{3}{2}}}
所以 hkh_k 在 (−1,−1(4k))(-1,-\frac{1}{(4k)}) 上递减,在 (−1(4k),1)(-\frac{1}{(4k)},1) 上递增,并且两端趋于 +∞+\infty. 唯一最小值为
hk(−14k)=16k2−13h_k\left(-\frac1{4k}\right)=\frac{\sqrt{16k^{2}-1}}{3}
因此第 kk 个平移后的第一段有 2 个根当且仅当 m>16k2−13m>\frac{\sqrt{16k^{2}-1}}{3},有 1 个根当 mm 等于该值,否则没有根.
当 k=1k=1 时,产生 2 个根的条件是 m>153m>\frac{\sqrt{15}}{3};当 k=2k=2 时,产生根的临界值是
m=16⋅22−13=7m=\frac{\sqrt{16\cdot2^{2}-1}}{3}=\sqrt7
由于上述临界值随 kk 增大而增大,若 m<7m<\sqrt7,只有 k=1k=1 的第一段可能产生根;若 m⩾7m\geqslant\sqrt7,则至少还会产生第 k=2k=2 段的根. 第二段中 3f(x)⩽33f(x)\leqslant3,而 x>4k+1⩾5x>4k+1\geqslant5,不可能有根. 因此总根数恰为 3+2=53+2=5 当且仅当
153<m<7\frac{\sqrt{15}}{3}<m<\sqrt7
故选 B. \end{solution}
A.
(153,83)\left(\frac{\sqrt{15}}{3}, \frac{8}{3}\right)
B.
(153,7)\left(\frac{\sqrt{15}}{3}, \sqrt{7}\right)
C.
(43,83)\left(\frac{4}{3}, \frac{8}{3}\right)
D.
(43,7)\left(\frac{4}{3}, \sqrt{7}\right)

2009 · 重庆 · 理 · 第 10 题 · 选择题

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