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求解10年级代数竞赛题:方程$x(x-1)^{x-1/x}=1$的所有实数解

求解10年级代数竞赛题:方程$x(x-1)^{x-1/x}=1$的所有实数解

嘿,这道题乍一看确实有点唬人,但咱们一步步拆解,其实能找到漂亮的精确解,还能证明它是唯一的~

首先先明确定义域:方程里有$(x-1)$的实数指数,还有$1/x$,所以得满足:

  • $x>0$(分母不为0)
  • $x-1>0$(底数为正,否则非整数指数会出现复数,不符合实数解要求)
    所以定义域是$x>1$。

第一步:猜测并验证精确解

你提到Wolfram Alpha给出的近似解是$x≈1.61803...$,这个数是不是很眼熟?它就是黄金分割比$\phi=\frac{1+\sqrt{5}}{2}$,这个数有个关键性质:$\phi = 1 + \frac{1}{\phi}$,也就是$\phi - 1 = \frac{1}{\phi}$,同时$\phi - \frac{1}{\phi} = 1$(因为$\frac{1}{\phi}=\phi-1$,代入后就是$\phi - (\phi-1)=1$)。

咱们把$\phi$代入原方程左边试试:
$$
\phi(\phi-1)^{\phi - \frac{1}{\phi}} = \phi \cdot \left(\frac{1}{\phi}\right)^1 = \phi \cdot \frac{1}{\phi} = 1
$$
正好等于右边!所以$\phi=\frac{1+\sqrt{5}}{2}$是一个精确解。

第二步:证明这是唯一的实数解

接下来咱们构造函数$f(x)=x(x-1)^{x - \frac{1}{x}} - 1$,定义域$x>1$,我们需要证明$f(x)=0$只有$x=\phi$这一个解。

先把原方程变形为$(x-1)^{x - \frac{1}{x}} = \frac{1}{x}$,两边取自然对数(两边都是正数,没问题):
$$
\left(x - \frac{1}{x}\right)\ln(x-1) = -\ln x
$$
整理成$g(x)=\left(x - \frac{1}{x}\right)\ln(x-1) + \ln x = 0$,分析$g(x)$的单调性:

对$g(x)$求导化简后可得:
$$
g'(x) = \frac{x2+1}{x2}\ln(x-1) + \frac{x+2}{x}
$$

咱们分区间看导数的符号:

  • 当$x$刚大于1时,$\ln(x-1)$是很大的负数,此时$g'(x)<0$,$g(x)$递减;
  • 当$x$增大到某个值$a$(大概在1.1到1.5之间)后,$\frac{x+2}{x}$的正贡献超过$\frac{x2+1}{x2}\ln(x-1)$的负贡献,$g'(x)>0$,$g(x)$开始递增;

再看$g(x)$的取值:

  • 当$x→1+$时,$g(x)→0$(但$x=1$不是定义域内的解,因为会出现$00$的未定式);
  • 当$x=a$时,$g(x)$达到最小值,且这个最小值是负数(比如代入$x=1.2$,$g(x)≈-0.4077$);
  • 当$x=\phi$时,$g(x)=0$;
  • 当$x→+∞$时,$g(x)≈x\ln x→+∞$;

这说明$g(x)$在$(1,a)$从0递减到负数,再在$(a,+∞)$递增到+∞,过程中只有$x=\phi$这一个点让$g(x)=0$,对应的$f(x)=0$也只有这一个解。

所以原方程的唯一实数解就是黄金分割比$\frac{1+\sqrt{5}}{2}$。

备注:内容来源于stack exchange,提问作者user1174831

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