每日一题[478]这里的山路十八弯

已知$a_1,a_2,\cdots ,a_{10}$与$b_1,b_2,\cdots ,b_{10}$为互不相同的$20$个实数,若方程$$|x-a_1|+|x-a_2|+\cdots +|x-a_{10}|=|x-b_1|+|x-b_2|+\cdots +|x-b_{10}|$$有有限多个解,则此方程最多有_______个解.


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   问题即函数$$f(x)=|x-a_1|+|x-a_2|+\cdots +|x-a_{10}|-|x-b_1|-|x-b_2|-\cdots -|x-b_{10}|$$的零点个数问题.

我们熟知绝对值函数$f(x)$的图象是一条两条射线与若干条线段连接而成的折线(可以参考每日一题[203]黎明前的黑暗).在这个问题里,每次折线转折时斜率改变量均为$2$或$-2$,且每种改变量都取$10$次.

一方面,为了使得函数$f(x)$的零点个数尽可能的多,应当使得斜率改变量依次为$$2,-2,-2,2,2,-2,-2,2,\cdots ,$$如图(示意图中两种改变量分别为$4$次).并且在实际的构造中,还需要使得折线中每一条非水平的线段穿过$x$轴后再发生转折.

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另一方面,由于当$x$很小以及很大时函数$f(x)$的函数值分别为$$a_1+a_2+\cdots +a_{10}-b_1-b_2-\cdots -b_{10}$$以及$$-\left(a_1+a_2+\cdots +a_{10}-b_1-b_2-\cdots -b_{10}\right),$$因此函数$f(x)$的图象中首尾射线均为水平方向,且分居$x$轴的两侧.这样就意味着至少有一条非水平的折线段无法穿过$x$轴.

综合以上两方面可知,此方程最多有$9$个解.

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