解一道简短却不简单的中国奥数入门题

algebramath

(注:由于我有点懒,此中文版本绝大部分是用 Google Gemini 3.1 Pro 英译中的。若有误,敬请谅解。)

引言

显然,我上海的新邻居是个五年级的天才,他现在已经在学习高中课程了。因此,说他正在准备数学奥赛也就不足为奇了。今天,他给我看了一道他奥数班的作业题,把我给难住了。

题目的主题是“集合”。我心想,作为一个大学生,五年级学生的集合论题目总不至于太难吧?

他指着作业上的第3题,告诉我这是他第一道解不出来的题。

盯着这道题看了十分钟后,我没能解出这道题的第二问。为了在尴尬之后挽回一点颜面,我把我的解答写在这里。因为这道题有很多边界情况和容易出错的地方,我将写下一份极其严谨的解答。

哦对了,这道题也让我想起为什么我当年没有在国内搞奥数。我不确定这道题的出处。如果你找到了这道题的出处,请告诉我。

1%的集合,99%的代数。

题目

给定 𝑎∈ℝ,定义 𝑓(𝑥)=𝑎𝑥2−1。定义集合 𝐴={𝑥∈ℝ|𝑓(𝑥)=𝑥} 和 𝐵={𝑥∈ℝ|𝑓(𝑓(𝑥))=𝑥}。

(a) 证明 𝐴⊆𝐵。

(b) 求所有满足 𝐴=𝐵≠∅ 的 𝑎 的可能取值,并给出证明。

备注

第(a)问很简单——它仅仅是测试选手是否知道什么是子集。

第(b)问……不知道为什么这会出现在集合的作业里。我唯一的瓶颈是对代数的观察。

我的解答

(a) 证: 设 𝑥∈𝐴。则 𝑓(𝑥)=𝑥,所以 𝑓(𝑓(𝑥))=𝑓(𝑥)=𝑥,这意味着 𝑥∈𝐵。因此,𝐴⊆𝐵。 ∎

(b) 我断言所有可能的 𝑎 的取值集合为 [−14,34]。

证: 我们将证明分为两个断言。

断言 1: 𝐴≠∅ 当且仅当 𝑎≥−14。

断言1的证明:

(⇒) 首先注意到如果 𝑎=0,该断言显然成立(因为 0≥−14)。

对于 𝑎≠0 的情况,如果 𝐴≠∅,则 𝑓(𝑥)−𝑥=𝑎𝑥2−𝑥−1 有实根。因此,Δ=(−1)2−4(𝑎)(−1)≥0,所以 𝑎≥−14。

(⇐) 首先注意到如果 𝑎=0,则 𝑓(𝑥)=−1,所以 𝑓(−1)=−1 是一个不动点,因此 −1∈𝐴,即 𝐴≠∅。

对于 𝑎≠0 的情况,如果 𝑎≥−14,则 Δ≥0,所以 𝑓(𝑥)−𝑥 至少有一个实根,这意味着存在某个 𝑥∈ℝ 使得 𝑥∈𝐴。 ∎

断言 2: 𝐴=𝐵 当且仅当 𝑎≤34。

断言2的证明: 我们有 −1=𝑓(𝑥)−𝑎𝑥2。因此,

对所有 𝑥∈ℝ 成立。

为方便起见,记 𝑔(𝑥)=𝑎2𝑥2+𝑎𝑥+(1−𝑎)。则 𝑓(𝑓(𝑥))−𝑥=𝑔(𝑥)(𝑓(𝑥)−𝑥)。

首先注意到如果 𝑎=0,则我们得到 𝑓(𝑓(𝑥))−𝑥=(0+1)(𝑓(𝑥)−𝑥)=𝑓(𝑥)−𝑥 对所有 𝑥∈ℝ 成立,因此 𝐴=𝐵。

接下来,我们将针对 𝑎≠0 的情况 证明断言2。

(⇒) 因为 𝐴=𝐵,必然有 𝐵⊆𝐴。因此 𝑓(𝑓(𝑥))−𝑥 的任何根也是 𝑓(𝑥)−𝑥 的根。所以,要么 𝑔(𝑥) 没有实根,要么 𝑔(𝑥) 的根是 𝑓(𝑥)−𝑥 的根的子集。

情况 1:𝑔(𝑥) 没有实根。那么,Δ=𝑎2−4𝑎2(1−𝑎)<0,所以 𝑎2(4𝑎−3)<0,又 因为 𝑎≠0,这得出 𝑎<34。

情况 2:𝑔(𝑥) 至少有一个实根,并且 𝑔(𝑥) 的所有根也是 𝑓(𝑥)−𝑥 的根。

在这种情况下,∀𝑟∈ℝ,𝑔(𝑟)=0⟹𝑓(𝑟)−𝑟=0。

设 𝑟 为 𝑔(𝑥) 的一个根。那么,𝑎2𝑟2+𝑎𝑟+(1−𝑎)=0 且 𝑎𝑟2−𝑟−1=0。代入可得 𝑎(𝑟+1)+𝑎𝑟+(1−𝑎)=0,即 2𝑎𝑟+1=0,且 因为 𝑎≠0,这得出 𝑟=−12𝑎。因此,𝑔(𝑥) 必须恰好有一个实根,且必须是 −12𝑎。在这种情况下,Δ=0,所以 𝑎2(4𝑎−3)=0,又 因为 𝑎≠0,可得 𝑎=34。

至此所有情况讨论完毕。在所有情况下,皆有 𝑎≤34。

(⇐) 同上,如果 𝑎<34,则 𝑔(𝑥) 没有实根,所以 𝑓(𝑓(𝑥))−𝑥=0⟹𝑓(𝑥)−𝑥=0,即 𝐵⊆𝐴。

如果 𝑎=34,则 𝑔(𝑥) 恰好有一个根 −12𝑎=−23,而在这种情况下,𝑓(−23)−(−23)=(34)(−23)2−1+23=0,所以 𝑓(𝑓(𝑥))−𝑥=0⟹𝑓(𝑥)−𝑥=0,这意味着 𝐵⊆𝐴。

因此,如果 𝑎≤34 且 𝑎≠0,则 𝐵⊆𝐴。此外,在第(a)问中,我们得出 𝐴⊆𝐵。因此,我们有 𝑎≤34∧𝑎≠0⟹𝐴=𝐵。

因此,两个方向均已证明,在 𝑎≠0 的情况下,我们有 𝑎≤34 当且仅当 𝐴=𝐵。

结合 𝑎=0 的情况,我们证明了断言 2。 ∎

由断言 1 和断言 2,𝐴=𝐵 且 𝐴≠∅ 当且仅当 𝑎≥−14 且 𝑎≤34,所以 𝑎 的所有可能取值集合为 [−14,34]。 ∎