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Calculus · real student question

求所有使方程式「a 減 x 平方的平方根之餘弦等於 1」恰有 8 個根的參數 a 的值。

Question

求所有使方程式

cos⁡a−x2=1\cos\sqrt{a-x^2}=1

恰有 88 個根的參數 aa 的值。

Step-by-step solution

  1. 把餘弦方程翻譯成一串水平位階。 cos⁡θ=1\cos\theta=1 恰好在 θ=2πk\theta=2\pi k(kk 為整數)時成立,而這裡 θ=a−x2≥0\theta=\sqrt{a-x^2}\ge0,所以只有 k=0,1,2,…k=0,1,2,\dots 是可能的:

    a−x2=2πk⟹x2=a−4π2k2\sqrt{a-x^2}=2\pi k \quad\Longrightarrow\quad x^2=a-4\pi^2k^2

    方程式於是變成一族簡單的二次式,每個 kk 一條。

  2. 數一數每個位階各貢獻幾個根。 固定一個 kk:

    • 若 a−4π2k2>0a-4\pi^2k^2>0,有兩個根 x=±a−4π2k2x=\pm\sqrt{a-4\pi^2k^2};
    • 若 a−4π2k2=0a-4\pi^2k^2=0,恰有一個根 x=0x=0;
    • 若 a−4π2k2<0a-4\pi^2k^2<0,一個也沒有。

    不同的 kk 給出不同的 ∣x∣|x|,所以不會有根被重複計算。

  3. 立刻排除邊界情形。 若 a=4π2m2a=4\pi^2m^2(mm 為某個整數),總數會是 2m+12m+1,是奇數。因為 88 是偶數,這樣的 aa 都不可能成立,每個位階都必須被嚴格跨過。

  4. 要求恰好有四個可用的 kk。 在沒有等號的情況下,根的個數是 2×(number of k with 4π2k2<a)2\times(\text{number of }k\text{ with }4\pi^2k^2<a)。要它等於 88,就表示 k=0,1,2,3k=0,1,2,3 都必須滿足嚴格不等式,而 k=4k=4 必須失敗:

    4π2⋅32<a≤4π2⋅424\pi^2\cdot3^2<a\le 4\pi^2\cdot4^2

  5. 把閉端點修掉。 右端 a=64π2a=64\pi^2 正是被排除的邊界值之一(它給出 2⋅4+1=92\cdot4+1=9 個根),必須捨去;而 a=36π2a=36\pi^2 給出 2⋅3+1=72\cdot3+1=7 個。答案是開區間

    36π2<a<64π236\pi^2<a<64\pi^2

  6. 用計數檢查兩端。 取 a=50π2a=50\pi^2(在區間內),位階 k=0,1,2,3k=0,1,2,3 全部跨過而 k=4k=4 沒有,得 2⋅4=82\cdot4=8 個根。在 a=36π2a=36\pi^2 時個數掉到 77,在 a=64π2a=64\pi^2 時跳到 99,所以兩端的嚴格不等號都不可少。

Answer

36π2<a<64π236\pi^2 < a < 64\pi^2

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