已知 $x$ 为实数,用 $[x]$ 表示不超过 $x$ 的最大整数,例如 $[1.2]=1$,$[-1.2]=-2$,$[1]=1$.对于函数 $f(x)$,若存在 $m\in\mathbb R\text{且 } m\notin\mathbb Z$,使得 $f(m)=f([m])$,则称函数 $f(x)$ 是 $\Omega$ 函数.
【难度】
【出处】
【标注】
  1. 判断函数 $f(x)=x^2-\dfrac 13x$,$g(x)=\sin\pi x$ 是否是 $\Omega$ 函数;(只需写出结论)
    标注
    答案
    函数 $f(x)=x^2-\dfrac 13x$ 是 $\Omega$ 函数,函数 $g(x)=\sin \pi x$,不是 $\Omega$ 函数
    解析
    函数 $f(x)=x^2-\dfrac 13x$ 是 $\Omega$ 函数,因为 $f\left(\dfrac 13\right)=f\left(\left[\dfrac 13\right]\right)=0$.函数 $g(x)=\sin \pi x$,不是 $\Omega$ 函数.
  2. 设函数 $f(x)$ 是定义在 $\mathbb R$ 上的周期函数,其最小正周期是 $T$,若 $f(x)$ 不是 $\Omega$ 函数,求 $T$ 的最小值;
    标注
    答案
    $T$ 的最小值为 $1$
    解析
    $T=1$ 的例子为 $f(x)=\left|\sin{\pi x}\right|$,因此只需要证明当 $0<T<1$ 时,函数 $f(x)$ 必然为 $\Omega$ 函数.事实上,一方面 $[T]=0$,于是 $f([T])=f(0)$;另一方面函数 $f(x)$ 以 $T$ 为周期,于是 $f(T)=f(0)$.因此 $f([T])=f(T)$,函数 $f(x)$ 为 $\Omega$ 函数.
  3. 若函数 $f(x)=x+\dfrac ax$ 是 $\Omega$ 函数,求 $a$ 的取值范围.
    标注
    答案
    $\left\{a\left|a\neq n^2\text{ 且 } a\neq n(n+1),a\in\mathbb R^+,n\in\mathbb N^*\right.\right\}$
    解析
    第一种情况当 $a \leqslant 0$ 时,函数 $f(x)$ 在 $(-\infty,0)$ 与 $(0,+\infty)$ 上分别单调递增.因为 $x$ 与 $[x]$ 必在同一个单调区间上,所以对任意的 $x\in\mathbb R\text{且 } x\notin \mathbb Z\text{且 } x\notin (0,1)$,都有 $x>[x]$,因此 $f(x)>f([x])$,函数 $f(x)$ 不是 $\Omega$ 函数.
    第二种情况当 $a>0$ 且 $\sqrt a$ 为正整数时,那么由于在每个取样区间 $[n,n+1)$($n\in\mathbb Z$)上,函数 $f(x)$ 均为单调函数,因此函数 $f(x)$ 不是 $\Omega$ 函数.
    第三种情况当 $a>0$ 且 $\sqrt a$ 不为正整数时,设 $k^2<a<(k+1)^2$($k\in\mathbb N^*$).因此$$f(-k)<f(-k-1)\text{或 } f\left(k+1\right)>f\left(k\right) ,$$即$$-k+\dfrac{a}{-k}<-k-1+\dfrac{a}{-k-1}\text{或 } k+1+\dfrac{a}{k+1}>k+\dfrac{a}{k},$$也即$$k+\dfrac{a}{k}\neq k+1+\dfrac{a}{k+1},$$整理得$$a\neq k(k+1),$$因此函数 $f(x)$ 当 $a\neq k(k+1)$($k\in\mathbb N^*$)时是 $\Omega$ 函数.
    综上,当 $a$ 的取值范围是 $\left\{a\left|a\neq n^2\text{ 且 } a\neq n(n+1),a\in\mathbb R^+,n\in\mathbb N^*\right.\right\}$.
    第三种情况的另法
    当 $a>0$ 时,考虑 $x\in\mathbb R\text{且 } x\notin Z\text{ 且 } x\notin (0,1)$ 的条件下 $f(x)=f([x])$ 即$$x+\dfrac ax=[x]+\dfrac a{[x]},\text{也即}x-[x]-\dfrac{a\left(x-[x]\right)}{x\cdot [x]}=0,$$两边约去正数 $x-[x]$,得 $a=x\cdot [x]$.接下来只需要求出 $h(x)=x\cdot [x]$,其中 $x\in\mathbb R\text{且 } x\notin Z$ 的值域,即为 $a$ 的取值范围,也即$$\left\{a\left|a\neq n^2\text{且 } a\neq n(n+1),a\in\mathbb R^+,n\in\mathbb Z\right.\right\},$$即不为整数的平方以及相邻两个整数的乘积的所有正实数
题目 问题1 答案1 解析1 备注1 问题2 答案2 解析2 备注2 问题3 答案3 解析3 备注3
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