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关于方程$x^2–4|x|+3=|k−1|$有四个实根时k的取值范围的求解疑问

关于方程$x^2–4|x|+3=|k−1|$有四个实根时k的取值范围的求解疑问

嗨,我来帮你一步步拆解这个问题,不管是手绘图形的思路,还是解析法里的疑问,都给你讲明白~

一、手绘图形法(无计算器)

首先我们把方程拆成左右两个函数:
左边是$f(x) = x^2 - 4|x| + 3$,右边是常数函数$y = |k-1|$(一条水平直线)。方程有四个实根,本质就是这两个函数的图像有四个交点

步骤1:绘制$f(x) = x^2 - 4|x| + 3$的图像

这个函数是偶函数(把x换成-x,函数值不变),所以我们只需要先画x≥0的部分,再对称到左边就行:

  • 当$x≥0$时,$f(x) = x^2 - 4x + 3$,这是开口向上的抛物线:
    • 顶点在$x=-\frac{b}{2a}=2$,代入得$f(2)=2^2-4*2+3=-1$;
    • 和x轴交点:解方程$x^2-4x+3=0$,得$x=1$和$x=3$;
    • 当x=0时,$f(0)=3$。
      所以x≥0的部分是从(0,3)出发,向下到(2,-1),再向上穿过(3,0),之后继续上升。
  • 利用偶函数对称性,把x≥0的图像沿y轴翻转,得到x<0的部分:x=-1、-3时f(x)=0,x=-2时f(x)=-1,x=0时f(x)=3。

步骤2:分析水平直线$y=|k-1|$的位置

要和$f(x)$有四个交点,这条水平直线的y值需要满足:

  • 不能低于$f(x)$的最小值-1(否则无交点);
  • 不能等于-1(此时只有x=±2两个交点);
  • 不能等于3(此时直线过(0,3)、(±4,3),共三个交点);
  • 不能大于3(此时只有x=±t两个交点,t是方程$x^2-4x+3=|k-1|$的正根)。

所以y值的范围是$0 < |k-1| < 3$(当$|k-1|=0$时,直线y=0,和$f(x)$交于(±1,0)、(±3,0),正好四个交点,符合要求)。

解这个不等式:

  • 当$k-1≥0$时,$0 < k-1 < 3$ → $1 < k < 4$;
  • 当$k-1 < 0$时,$0 < -(k-1) < 3$ → $-2 < k < 1$;

合并起来就是$k∈(-2,4)$,和你给出的答案一致。

二、解析法及你的疑问解答

我们可以通过换元简化方程:令$t=|x|$($t≥0$),原方程转化为:
$$t^2 - 4t + 3 = |k-1|$$
整理为标准二次方程:
$$t^2 - 4t + (3 - |k-1|) = 0$$

原方程有四个实根,等价于这个关于t的二次方程有两个不相等的正实根(因为每个正t对应两个x值:$x=±t$)。

为什么要要求根的和与积大于0?

对于二次方程$at^2+bt+c=0$($a>0$),要得到两个正实根,需要满足三个条件:

  1. 判别式Δ>0:保证有两个不同的实根;
  2. 两根之和>0:根据韦达定理,两根之和为$-\frac{b}{a}$,这里$a=1$,$b=-4$,所以和为4,天然大于0;
  3. 两根之积>0:根据韦达定理,两根之积为$\frac{c}{a}=3-|k-1|$,积大于0说明两根同号,再结合和为正,就能确定两根都是正的(不会出现一正一负的情况)。

具体推导

  • 判别式Δ:$\Delta = (-4)^2 - 41(3-|k-1|) = 16 - 12 + 4|k-1| = 4 + 4|k-1|$,因为$|k-1|≥0$,所以Δ永远大于0,不需要额外限制;
  • 两根之积>0:$3 - |k-1| > 0$ → $|k-1| < 3$;
  • 排除特殊情况:当$|k-1|=3$时,方程变为$t^2-4t=0$,根为t=0和t=4,对应x=0、±4,只有三个实根,不符合要求;当$|k-1|>3$时,两根之积为负,说明一正一负,负根舍去,仅对应两个实根,也不符合要求。

解$|k-1| < 3$,得到$-2 < k < 4$,就是最终的取值范围。

这样应该就把两种方法和你的疑问都讲清楚啦~

备注:内容来源于stack exchange,提问作者SAGNIK UPADHYAY

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