已知函数 y=f(x) 的定义域为 R .对于正实数 a,…——2025 高考数学第 21 题答案解析

2025_上海卷 (2025)

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21.已知函数 $y=f(x)$ 的定义域为 $\mathbf{R}$ .对于正实数 a ,定义集合 $M_{a}=\{x \mid f(x+a)=f(x)\}$ .
(1)若 $f(x)=\sin x$ ,判断 $\frac{\pi}{3}$ 是否是 $M_{\pi}$ 中的元素,并说明理由;
(2)若 $f(x)=\left\{\begin{array}{ll}x+2, & x<0 \\ \sqrt{x}, & x \geq 0\end{array}, \quad M_{a} \neq \varnothing\right.$ ,求 a 的取值范围;
③设 $y=f(x)$ 是偶函数,当 $x \in(0,1]$ 时,$f(x)=1-x$ ,且对任意 $a \in(0,2)$ ,均有$M_{a} \subseteq M_{2}$ .写出 $y=f(x), x \in(1,2)$ 的解析式,并证明:对任意实数 c ,函数 $y=f(x)-c$在 $[-3,3]$ 上至多有 9 个零点.

Answer key

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(1) 当 $f(x)=\sin x$ 时,
\[ M_\pi=\{x\mid \sin(x+\pi)=\sin x\}. \]
取 $x=\dfrac{\pi}{3}$,则
\[ f\left(\frac{\pi}{3}+\pi\right)=\sin\frac{4\pi}{3}=-\frac{\sqrt3}{2}, \qquad f\left(\frac{\pi}{3}\right)=\sin\frac{\pi}{3}=\frac{\sqrt3}{2}. \]
两者不相等,所以 $\dfrac{\pi}{3}\notin M_\pi$。

(2) 设存在 $x$ 使 $f(x+a)=f(x)$,其中 $a>0$。

若 $x\ge 0$,则 $x+a>0$,有
\[ \sqrt{x+a}=\sqrt{x}, \]
不可能,因为 $a>0$。

若 $x+a<0$,则
\[ x+a+2=x+2, \]
也不可能。

因此必须有
\[ x<0\le x+a. \]
此时
\[ f(x+a)=\sqrt{x+a},\qquad f(x)=x+2, \]
所以
\[ \sqrt{x+a}=x+2. \]
令 $t=x+a$,则 $t\ge 0$,$x=t-a$,方程化为
\[ \sqrt t=t-a+2, \]
即
\[ a=t+2-\sqrt t. \]
又因为 $x<0$,即 $t-a<0$,所以
\[ t<t+2-\sqrt t\iff \sqrt t<2\iff t<4. \]
于是问题等价于:存在 $t\in[0,4)$,使得
\[ a=\varphi(t)=t+2-\sqrt t. \]
反之,对任意 $t\in[0,4)$,令 $a=t+2-\sqrt t$,则
\[ a-t=2-\sqrt t>0, \]
取 $x=t-a$,就有 $x<0\le x+a$,且
\[ f(x+a)=\sqrt t=t-a+2=x+2=f(x), \]
确实满足条件。

求 $\varphi(t)$ 在 $[0,4)$ 上的值域。对 $t>0$,
\[ \varphi'(t)=1-\frac{1}{2\sqrt t}. \]
令 $\varphi'(t)=0$,得 $t=\dfrac14$。此时
\[ \varphi\left(\frac14\right)=\frac14+2-\frac12=\frac74. \]
又
\[ \varphi(0)=2,\qquad \lim_{t\to4^-}\varphi(t)=4, \]
且 $t=4$ 不取,所以 $\varphi([0,4))=\left[\dfrac74,4\right)$。

因此
\[ a\in\left[\frac74,4\right). \]

(3) 先求 $x\in(1,2)$ 上的解析式。

由 $f$ 为偶函数,且当 $x\in(0,1]$ 时 $f(x)=1-x$,可知当 $u\in(-1,0)$ 时
\[ f(u)=f(-u)=1-(-u)=1+u. \]
任取 $u\in(-1,0)$,令
\[ a=-2u\in(0,2). \]
则
\[ u+a=-u, \]
于是
\[ f(u+a)=f(-u)=f(u). \]
所以 $u\in M_a$。由条件 $M_a\subseteq M_2$,得 $u\in M_2$,即
\[ f(u+2)=f(u). \]
令 $x=u+2$,则 $x\in(1,2)$,并且
\[ f(x)=f(u)=1+u=x-1. \]
故
\[ \boxed{f(x)=x-1\quad(1<x<2)}. \]

下面证明零点个数的上界。

对任意 $x\in(0,1)$,有 $2-x\in(1,2)$,由上一步结果
\[ f(2-x)=(2-x)-1=1-x=f(x). \]
令
\[ a=(2-x)-x=2-2x\in(0,2), \]
则 $x\in M_a$,从而 $x\in M_2$,即
\[ f(x+2)=f(x)=1-x. \]
令 $t=x+2\in(2,3)$,得
\[ f(t)=1-(t-2)=3-t. \]
因此
\[ f(x)=3-x\quad(2<x<3). \]
再由偶函数性质,可得在 $[-3,3]$ 的六个开区间上:
\[ f(x)= \begin{cases} x+3, & -3<x<-2,\\[2mm] -x-1, & -2<x<-1,\\[2mm] x+1, & -1<x<0,\\[2mm] 1-x, & 0<x<1,\\[2mm] x-1, & 1<x<2,\\[2mm] 3-x, & 2<x<3. \end{cases} \]
并且
\[ f(-1)=f(1)=0. \]

考虑方程 $f(x)=c$。

若 $c\notin(0,1)$,上述六个开区间上的函数值都属于 $(0,1)$,因此零点只可能出现在
\[ \{-3,-2,-1,0,1,2,3\} \]
这 $7$ 个点中,至多 $7$ 个,当然不超过 $9$ 个。

若 $c\in(0,1)$,则上述六个开区间中,每一段都是严格单调的一次函数,且值域均为 $(0,1)$,所以每一段上恰有一个零点,共 $6$ 个。

又 $f(-1)=f(1)=0\ne c$,所以 $x=\pm1$ 不是零点。

再证 $x=\pm3$ 也不可能是零点。若 $f(3)=c$,由偶函数知 $f(-3)=c$。取
\[ v=-1-c\in(-2,-1), \]
则由 $f(x)=-x-1$ 得
\[ f(v)=-v-1=c. \]
令
\[ a=v+3=2-c\in(0,2), \]
则
\[ -3+a=v, \]
于是
\[ f(-3+a)=f(v)=c=f(-3). \]
所以 $-3\in M_a$,由条件得 $-3\in M_2$,即
\[ f(-1)=f(-3)=c, \]
这与 $f(-1)=0$ 矛盾。因此 $f(3)\ne c$,$f(-3)\ne c$。

于是,当 $c\in(0,1)$ 时,除六个开区间中的 $6$ 个零点外,只可能在 $-2,0,2$ 这三个点处再出现零点,至多再加 $3$ 个。

所以对任意实数 $c$,函数 $y=f(x)-c$ 在 $[-3,3]$ 上至多有
\[ 6+3=9 \]
个零点。

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