已知函数 $f(x)=\sin x$.若存在 $x_1,x_2,\cdots,x_m$ 满足 $0\leqslant x_1<x_2<\cdots <x_m\leqslant 6\pi$,且$$\left|f(x_1)-f(x_2)\right|+\left|f(x_2)-f(x_3)\right|+\cdots+\left|f(x_{m-1})-f(x_m)\right|=12$$($m\geqslant 2$,$m\in \mathbb N^*$),则 $m$ 的最小值为 .
【难度】
【出处】
2015年高考上海卷(理)
【标注】
【答案】
$8$
【解析】
如图,取序列$$0,\dfrac{\pi}2,\dfrac{3\pi}2,\dfrac{5\pi}2,\dfrac{7\pi}{2},\dfrac{9\pi}2,\dfrac{11\pi}2,6\pi$$就得到 $m=8$ 的情形.
下面证明 $m$ 不可能比 $8$ 更小.事实上,可以证明一个更强的命题:序列中必然包含如上所述的 $8$ 个数.
直观上来说,因为要求序列数最少,所以同一个单调区间内最多存在两个点;同时,这两个点是单调区间的端点时,函数值的差的绝对值最大,所以所有点都取单调区间的端点更合适,但需要满足和为 $12$,如图,
严格的推导过程如下:
如上的序列把区间 $[0,6\pi]$ 分成 $7$ 个单调区间,不妨设$$0\leqslant x_1<\cdots<x_{i_1}\leqslant \dfrac{\pi}{2}<x_{i_1+1}<\cdots<x_{i_2}\leqslant \dfrac{3\pi}{2}<\cdots<\dfrac{11\pi}{2}<x_{i_6+1}<\cdots<x_m\leqslant 6\pi,$$则\[\begin{split}&\qquad\sum_{k=1}^{m-1}\left|f(x_k)-f(x_{k+1})\right|\\&= \left|f(x_{i_1})-f(x_1)\right|+\left|f(x_{i_1})-f(x_{i_1+1})\right|+\left|f(x_{i_1+1})-f(x_{i_2})\right|+\cdots+\left|f(x_{i_6+1})-f(x_m)\right|\\ &\leqslant \left|f(x_{i_1})-f(x_1)\right|+\left[ \left|f(x_{i_1})-f\left(\dfrac{\pi}{2}\right)\right|+\left|f\left(\dfrac{\pi}{2}\right)-f(x_{i_1+1})\right| \right]+\left|f(x_{i_1+1})-f(x_{i_2})\right|\\&\qquad\qquad+\cdots+\left|f(x_{i_6+1})-f(x_m)\right|\\&=\left|f\left(\dfrac{\pi}{2}\right)-f(x_1)\right|+\left|f\left(\dfrac{\pi}{2}\right)-f\left(\dfrac{3\pi}{2}\right)\right|+\cdots+\left|f\left(\dfrac{11\pi}{2}\right)-f(x_m)\right|\\&\leqslant \left|f\left(\dfrac{\pi}{2}\right)-f(0)\right|+\left|f\left(\dfrac{\pi}{2}\right)-f\left(\dfrac{3\pi}{2}\right)\right|+\cdots+\left|f\left(\dfrac{11\pi}{2}\right)-f(6\pi)\right|\\&=12,\end{split}\]等号取得的条件为$$x_1=0,x_{i_1}=\dfrac{\pi}{2},\cdots,x_{i_6}=\dfrac{11\pi}{2},x_m=6\pi,$$即$$0,\dfrac{\pi}{2},\cdots,6\pi\in\left\{x_1,x_2,\cdots,x_m\right\},$$因此命题得证.
故 $m$ 的最小值为 $8$.

直观上来说,因为要求序列数最少,所以同一个单调区间内最多存在两个点;同时,这两个点是单调区间的端点时,函数值的差的绝对值最大,所以所有点都取单调区间的端点更合适,但需要满足和为 $12$,如图,

如上的序列把区间 $[0,6\pi]$ 分成 $7$ 个单调区间,不妨设$$0\leqslant x_1<\cdots<x_{i_1}\leqslant \dfrac{\pi}{2}<x_{i_1+1}<\cdots<x_{i_2}\leqslant \dfrac{3\pi}{2}<\cdots<\dfrac{11\pi}{2}<x_{i_6+1}<\cdots<x_m\leqslant 6\pi,$$则\[\begin{split}&\qquad\sum_{k=1}^{m-1}\left|f(x_k)-f(x_{k+1})\right|\\&= \left|f(x_{i_1})-f(x_1)\right|+\left|f(x_{i_1})-f(x_{i_1+1})\right|+\left|f(x_{i_1+1})-f(x_{i_2})\right|+\cdots+\left|f(x_{i_6+1})-f(x_m)\right|\\ &\leqslant \left|f(x_{i_1})-f(x_1)\right|+\left[ \left|f(x_{i_1})-f\left(\dfrac{\pi}{2}\right)\right|+\left|f\left(\dfrac{\pi}{2}\right)-f(x_{i_1+1})\right| \right]+\left|f(x_{i_1+1})-f(x_{i_2})\right|\\&\qquad\qquad+\cdots+\left|f(x_{i_6+1})-f(x_m)\right|\\&=\left|f\left(\dfrac{\pi}{2}\right)-f(x_1)\right|+\left|f\left(\dfrac{\pi}{2}\right)-f\left(\dfrac{3\pi}{2}\right)\right|+\cdots+\left|f\left(\dfrac{11\pi}{2}\right)-f(x_m)\right|\\&\leqslant \left|f\left(\dfrac{\pi}{2}\right)-f(0)\right|+\left|f\left(\dfrac{\pi}{2}\right)-f\left(\dfrac{3\pi}{2}\right)\right|+\cdots+\left|f\left(\dfrac{11\pi}{2}\right)-f(6\pi)\right|\\&=12,\end{split}\]等号取得的条件为$$x_1=0,x_{i_1}=\dfrac{\pi}{2},\cdots,x_{i_6}=\dfrac{11\pi}{2},x_m=6\pi,$$即$$0,\dfrac{\pi}{2},\cdots,6\pi\in\left\{x_1,x_2,\cdots,x_m\right\},$$因此命题得证.
故 $m$ 的最小值为 $8$.
题目
答案
解析
备注