已知函数 $f(x)=\left|x+\dfrac 1x\right|+\left|m-x+\dfrac{1}{m-x}\right|-a$ 有 $6$ 个零点,且所有零点之和为 $3$,则 $a$ 的取值范围是
【难度】
【出处】
【标注】
  • 知识点
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    函数
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    函数的图象与性质
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    函数的对称性
  • 知识点
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    微积分初步
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    利用导数研究函数的性质
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    利用导数研究函数的零点
【答案】
$(5,+\infty)$
【解析】
根据题意,有\[f(x)=f(m-x),\]于是函数 $f(x)$ 关于 $x=\dfrac 12m$ 对称.结合所有的零点的平均数为 $\dfrac 12$,可得 $m=1$.此时问题转化为函数\[g(x)=\left|x+\dfrac 1x\right|+\left|1-x+\dfrac{1}{1-x}\right|\]在 $\left(\dfrac 12,+\infty\right)$ 上与直线 $y=a$ 有 $3$ 个公共点.此时\[g(x)=\begin{cases} \dfrac 1x+\dfrac{1}{1-x}+1,&\dfrac 12<x<1,\\
2x+\dfrac 1x+\dfrac{1}{x-1}-1,&x>1.\end{cases}\]情形一当 $\dfrac 12<x<1$ 时,函数 $g(x)$ 的导函数\[g'(x)=-\dfrac 1{x^2}+\dfrac{1}{(1-x)^2}>0,\]于是函数 $g(x)$ 单调递增,且取值范围是 $(5,+\infty)$.(也可以不求导,由$$ g(x)=1+\dfrac 1{x(1-x)} $$知 $ g(x)$ 在 $ \left(\dfrac 12,1\right)$ 上单调递增.)
情形二当 $ x>1 $ 时,函数 $ g(x)$ 的导函数\[g'(x)=2-\dfrac{1}{x^2}-\dfrac{1}{(x-1)^2},\]考虑到 $ g'(x)$ 是 $(1,+\infty)$ 上的单调递增函数,且\[\lim_{x\to 1^+}g'(x)=-\infty,\lim_{x\to +\infty}g'(x)=2,\]于是 $ g'(x)$ 在 $(1,+\infty)$ 上有唯一零点,记为 $ x_0 $.进而函数 $ g(x)$ 在 $(1,x_0)$ 上单调递减,在 $(x_0,+\infty)$ 上单调递增,在 $ x=x_0 $ 处取得极小值 $ m $,如图.接下来问题的关键是判断 $ m $ 与 $ 5 $ 的大小关系.注意到\[m\leqslant f\left(\dfrac 32\right)=\dfrac 32+\dfrac 23+\dfrac 12+2=\dfrac{14}{3}<5,\]于是所求的取值范围是 $(5,+\infty)$.
题目 答案 解析 备注
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