每日一题[3402]车轮滚滚

设函数 $f(x)=[x]$ 的函数值表示不超过 $x$ 的最大整数,则在同一个直角坐标系中,函数 $y=f(x)$ 的图象与圆 $(x-t)^2+(y+t)^2=2 t^2$($t>0$)的公共点个数可以是(       )

A.$1$ 个

B.$2$ 个

C.$3$ 个

D.$4$ 个

答案    ABD.

解析    记题中圆为圆 $T$,圆心 $T(t,-t)$,函数 $f(x)$ 的图象由线段 $P_mQ_m$($m\in\mathbb Z$,包含左端点不包含右段点)构成,其中 $P_m(m,m)$,$Q(m+1,m)$.考虑 $P_m,Q_m$ 与圆的位置关系,分别将 $P_m,Q_m$ 的坐标代入圆的方程,有\[\begin{split} p_m&=(m-t)^2+(m+t)^2-2t^2=2m^2,\\ q_m&=(m+1-t)^2+(m+t)^2-2t^2=2m^2+2m+1-2t.\end{split}\]

情形一     $m=0$.此时 $p_m=0$,$q_m=1-2t$,于是点 $P_m$ 在圆上.因此当 $t\in \left(0,\dfrac 12\right)$ 时,线段 $P_0Q_0$ 与圆有 $2$ 个公共点;当 $t=\dfrac 12$ 时,线段 $P_0Q_0$ 与圆有 $1$ 个公共点;当 $t\in\left(\dfrac 12,+\infty\right)$ 时,线段 $P_0Q_0$ 与圆没有公共点.

情形二     $m\ne 0$.此时 $p_m>0$,于是点 $P_m$ 在圆外.接下来证明

引理    当且仅当 $Q_m$ 在圆内时,线段 $P_mQ_m$ 与圆有唯一公共点,否则没有公共点.

引理的证明    当 $Q_m$ 在圆上以及圆内时引理显然成立.当 $Q_m$ 在圆外时,若线段 $P_mQ_m$ 与圆有公共点,则 $T$ 在 $P_mQ_m$ 上的投影在线段内部,且 $T$ 到 $P_mQ_m$ 的距离不大于圆 $T$ 的半径,即\[\begin{cases} m<t<m+1,\\ m+t\leqslant \sqrt 2t ,\end{cases}\iff \begin{cases} m<t<m+1,\\ t\geqslant \left(\sqrt 2+1\right)m,\end{cases}\]由 $t<m+1$ 可得 $m+1>0$,于是 $m\geqslant 1$,进而\[t\geqslant\left(\sqrt 2+1\right)m=m+\sqrt 2m\geqslant m+\sqrt 2>m+1,\]矛盾.因此引理成立.

回到原题    考虑 $m=\pm 1,\pm 2,\cdots$ 时的分界点,依次为\[\dfrac 12,\dfrac 52,\dfrac{13}2,\dfrac{41}2,\cdots,k^2+k+\dfrac 12,\cdots,\]其中 $k\in\mathbb N$.这样就有所求公共点个数为\[\begin{cases} 2,&t\in\left(0,\dfrac 12\right),\\ 1,&t=\dfrac 12,\\ 2k+2,&t\in\left(k^2+k+\dfrac 12,(k+1)^2+k+\dfrac 32\right].\end{cases}\]

综上所述,正确的选项为 $\boxed{A}$ $\boxed{B}$ $\boxed{D}$.

此条目发表在每日一题分类目录,贴了标签。将固定链接加入收藏夹。

发表回复