1991 AIME 第 4 题
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4.
有多少个实数 满足方程
How many real numbers satisfy the equation
小提示:
由界限 ,可将 限制在一个有限区间内。
The bound restricts to a finite interval
大提示:
分别考察正、负的正弦半波,并在每个符合条件的完整半波上数出两个交点。
Separate the positive and negative half-waves of the sine function and count two crossings on each eligible full half-wave
解答:
令 。任何根都位于 内。
当 时,根只可能出现在正弦函数的负半波上。这样的半波有两个,即 和 。在每个半波的两个端点处, 都为正,而在中点处为负,因此各有两个根。在下降半段,单调性保证交点唯一;在上升半段,所以 从中点处的负值开始递增,并且恰好一次等于零。因此, 先下降,再从中点的负值上升到端点的正值,所以这一半段恰有一个根。因此在 以下共有 个根。
此外, 也是一个根。当 时,根只可能出现在正半波 上,其中 、、、。这样的半波共有 个。在每个半波的端点处, 为负,而在中点处为正。右半段严格递减。在左半段,所以 是严格凹函数。它在左端点为正、在中点为负,因此恰好改变一次符号。于是 先上升到唯一的极大值,再下降到仍为正的中点,所以左半段恰有一个交点。因此每个这样的半波恰好贡献两个根。故根的总数为
Let Any root lies in
For a root can occur only on a negative half-wave of the sine. There are two such half-waves, and On each, is positive at both endpoints and negative at the midpoint, so there are two roots. Uniqueness on the descending half follows from monotonicity; on the ascending half, so increases from a negative value at the midpoint and vanishes once. The function therefore first decreases and then increases from a negative midpoint value to a positive endpoint value, giving exactly one root on this half. Thus there are roots below
Also is a root. For roots can occur only on positive half-waves with There are of these. The value of is negative at each endpoint and positive at the midpoint. The right half is strictly decreasing. On the left half, so is strictly concave. It is positive at the left endpoint and negative at the midpoint, so it changes sign exactly once. Consequently, rises to one maximum and then falls to a still-positive midpoint, giving exactly one crossing on the left half. Hence every such half-wave contributes exactly two roots. Therefore the total number is
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