設 $m, n$ 為小於或等於 $4$ 的相異正整數且 $a, b$ 為非零實數。已知函數 $f(x) = a x^m$ 與函數 $g(x) = b x^n$ 的圖形恰有 $3$ 個相異交點,請選出可能的選項。
- $m, n$ 皆為偶數且 $a, b$ 同號
- $m, n$ 皆為偶數且 $a, b$ 異號
- $m, n$ 皆為奇數且 $a, b$ 同號
- $m, n$ 皆為奇數且 $a, b$ 異號
- $m, n$ 為一奇一偶
詳解
求 $a x^m = b x^n$ 的交點。因 $x=0$ 恆為一交點(因 $m, n \ge 1$ 且 $a, b \ne 0$),故必須在 $x \ne 0$ 時恰有 $2$ 個相異交點。
當 $x \ne 0$ 時,方程式可化為:
$$x^{m-n} = \dfrac{b}{a}$$
設 $k = m-n \ne 0$。若此方程式在 $x \ne 0$ 時恰有 $2$ 個相異實根,則:
- $k$ 必須為偶數(無論正負)且 $\dfrac{b}{a} > 0$(即 $a, b$ 同號)。
因此,$m-n$ 必須為偶數,這代表 $m, n$ 同為偶數或同為奇數,且 $a, b$ 必須同號。
- 若 $m, n$ 皆為偶數且 $a, b$ 同號,則 $m-n$ 為偶數,滿足條件。例如 $m=4, n=2$ 且 $a=1, b=1$,得 $x^4 = x^2 \implies x^2(x^2-1) = 0 \implies x=0, \pm 1$,恰有 $3$ 個交點。故 $(1)$ 可能。
- 若 $m, n$ 皆為奇數且 $a, b$ 同號,則 $m-n$ 為偶數,滿足條件。例如 $m=3, n=1$ 且 $a=1, b=1$,得 $x^3 = x \implies x(x^2-1) = 0 \implies x=0, \pm 1$,恰有 $3$ 個交點。故 $(3)$ 可能。
故選 $(1)(3)$。