已知圆 $x^2+y^2=8$ 围成的封闭区域内(含边界)的整点(坐标均为整数的点)数是椭圆 $\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{4}=1$ 围成的封闭区域内(含边界)整点数的 $\dfrac{1}{5}$,则正实数 $a$ 的取值范围是 .
【难度】
【出处】
2018年全国高中数学联赛广东省预赛
【标注】
【答案】
$22\leqslant a<23$
【解析】
圆 $x^2+y^2=8$ 围成的封闭区域内的整点数为 $1+4\times 2+4\displaystyle\sum_{x=1}^2[\sqrt{8-x^2}]=9+4([7]+2)=25$.$\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{4}=1$ 围成的封闭区域内的整点数为 $5+2\times [a]+4\displaystyle\sum_{x=1}^{[a]}[2+\sqrt{1-\dfrac{x^2}{a^2}}]$..对任意 $k\in\mathbf N,1\leqslant k\leqslant [a],2\sqrt{[1-\dfrac{k^2}{a^2}]}<2\Rightarrow[2\sqrt{1-\dfrac{k^2}{a^2}}]\leqslant 1$,且 $[2\sqrt{1-\dfrac{k^2}{a^2}}]=1\Leftrightarrow \dfrac{2k}{\sqrt{3}}\leqslant a<[a]+1$.令 $m$ 是满足上式 $k$ 的最大整数,则 $125=5+2\times [a]+4\displaystyle\sum_{x=1}^{[a]}[2\sqrt{1-\dfrac{x^2}{a^2}}]=5+2[a]+4m\geqslant 4+6[a]\Rightarrow [a]\geqslant 20$.注意到 $\dfrac{2\times 17}{\sqrt{3}}<20$,可得 $m\geqslant 17$,因此 $125=5+2[a]+4m\leqslant 5+2[a]+68\Rightarrow [a]\leqslant 26$.若 $[a]\geqslant 123$,则由 $\dfrac{2\times 19}{\sqrt{3}}<23$,可知满足条件 $\dfrac{2m}{\sqrt{3}}\leqslant a<[a]+1$ 的最大整数 $m\geqslant 19$,因此 $125=5+2[a]+4m\geqslant 5+2\times 23+4\times 19=127$,矛盾.所以 $20\leqslant [a]\leqslant 22$.若 $[a]=20$,则 $125=5+2\times 20+4m\Rightarrow m=20$,但 $\dfrac{2\times 20}{\sqrt{3}}>21$,与 $\dfrac{2m}{\sqrt{3}}\leqslant a<[a]+1=21$ 矛盾.若 $[a]=21$,则 $125=5+2\times 21+4m\Rightarrow 4m=78$,不可能.因此 $[a]=22,125=5+2\times 22+4m\Rightarrow m=19$,不难验证 $\dfrac{2\times 19}{\sqrt{3}}<22\leqslant a<[a]+1=23<\dfrac{2\times 20}{\sqrt{3}}$,故 $22\leqslant a<23$.
题目
答案
解析
备注