**(2024年新高考1卷18题)**
已知函数f(x)=lnx2−x+ax+b(x−1)3.
(1)若b=0,且f′(x)⩾0,求a的最小值;
(2)证明:曲线y=f(x)是中心对称图形;
(3)若f(x)>−2当且仅当1<x<2,求b的取值范围.
**解.** 函数f(x)的定义域为(0,2).
(1)若b=0,则f(x)=lnx2−x+ax=lnx−ln(2−x)+ax,
故f′(x)=1x−−12−x+a=2x(2−x)+a.
由f′(x)⩾0可知a⩾−2x(2−x).
由基本不等式可得x(2−x)⩽[x+(2−x)2]2=1,
则−2x(2−x)⩽−2,当且仅当x=1时取等号成立.故a⩾−2.故a的最小值为−2.
(2)令F(x)=f(x+1)−a=ln1+x1−x+ax+bx3,则F(−x)=ln1−x1+x−ax−bx3=−F(x),
故F(x)是奇函数,它的图象关于(0,0)对称.从而y=f(x)关于(1,a)对称.故曲线y=f(x)是中心对称图形.
(3)由函数f(x)的连续性可知f(1)=a=−2.
否则,若a<−2,则f(1)=a<−2.当x→2时, f(x)→+∞,存在x0∈(1,2),使得f(x0)=−2,
则f(x)>−2当且仅当x0<x<2,与题设矛盾;
若a>−2,则f(1)=a>−2.故x=1时f(x)>−2也成立,与题设矛盾.
于是f(x)=lnx2−x−2x+b(x−1)3.
令u=x−1,则u∈(0,1), g(u)=f(u+1)+2=ln1+u1−u−2u+bu3,
则g(u)>0当且仅当0<u<1.
**解法一:** 由g′(u)=u2(3b+21−u2)
若b⩾−23,由3b+21−u2>3b+2⩾0可知g′(u)>0,故g(u)在(0,1)上单调递增,则g(u)>g(0)=0,符合题意.
若b<−23,则当0<u<√1+23b时,g′(u)<0,故g(u)在(0,√1+23b)
上单调递减,此时g(u)<g(0)=0,矛盾.
综上所述, b⩾−23.
**解法二:** 利用参变分离可知, b>2u−ln1+u1−uu3.
令G(u)=2u−ln1+u1−uu3,0<u<1.则
G′(u)=1u4[−4u3+6uu2−1+3ln1+u1−u].
令h(u)=−4u3+6uu2−1+3ln1+u1−u,0<u<1,则h′(u)=−4u4(u2−1)2<0,
故h(u)在(0,1)上单调递减,则h(u)<h(0)=0.
故G′(u)<0,函数G(u)在(0,1)上单调递减.
由洛必达法则可知limu→0G(u)=−23.
因此b⩾−23.
**分析:** 事实上,由泰勒展开
g(u)=ln1+u1−u−2u+bu3=(b+23)u3+25u5+o(u5)
可知, g(u)>0当且仅当0<u<1,必须有b+23⩾0,则b⩾−23.
**(2024年新高考1卷19题)**
设m为正整数,数列a1,a2,⋯,a4m+2是公差不为0的等差数列,若从中删去两项ai和aj (i<j)后剩余的4m项可被平均分为m组,且每组的4个数都能构成等差数列,则称数列a1,a2,⋯,a4m+2是(i,j)−可分数列.
(1)写出所有的(i,j), 1⩽i<j⩽6,使得数列a1,a2,⋯,a6是(i,j)−可分数列;
(2)当m⩾3时,证明:数列a1,a2,⋯,a4m+2是(2,13)−可分数列;
(3)从1,2,⋯,4m+2中一次任取两个数i和 j (i<j),记数列a1,a2,⋯,a4m+2
是(i,j)−可分数列的概率为Pm,证明: Pm>18.
**解.** (1) (1,2),(1,6),(5,6);
(2)将数列a1,a2,⋯,a4m+2剔除a2和a13后,分成如下m组:
a1,a4,a7,a10;a3,a6,a9,a12;a5,a8,a11,a14;a15,a16,a17,a18;⋯a4k−1,a4k,a4k+1,a4k+2;⋯a4m−1,a4m,a4m+1,a4m+2.
则以上各组的四个数依次成等差数列.故数列a1,a2,⋯,a4m+2是(2,13)−可分数列;
(3)下面证明满足a1,a2,⋯,a4m+2
是(i,j)−可分数列的(i,j)的个数xm⩾m2+m+1.
由(1)可知x1=3.
记数列a1,a2,⋯,a4m+2为Am, 数列a1,a2,⋯,a4m+6为Am+1.
若Am是(i,j)−可分数列,则Am+1也是(i,j)−可分数列,这样的(i,j)共有xm组;
当0⩽n⩽m+1且n∈N∗时,将Am+1剔除掉a4n+1,a4m+6两项后剩余的4m+4项中连续4项依次进行分组可知, Am+1是(4n+1,4m+6)−可分数列,这样的(i,j)共有m+2组;
当0⩽n⩽m−1且n∈N∗时,记k=m−n+1.先将a1,a2,⋯,a4n这4n项中连续4项依次进行分组,再按照如下分组
a4n+1,a4n+k+1,a4n+2k+1,a4n+3k+1,a4n+3,a4n+k+3,a4n+2k+3,a4n+3k+3,a4n+4,a4n+k+4,a4n+2k+4,a4n+3k+4,⋮⋮⋮⋮a4n+k,a4n+2k,a4n+3k,a4n+4k,a4n+k+2,a4n+2k+2,a4n+3k+2,a4n+4k+2.
可知, Am+1是(4n+2,4m+5)−可分数列,这样的(i,j)共有m组.
因此xm+1⩾xm+m+2+m=xm+2m+2,故
xm=m∑k=2(xk−xk−1)+x1⩾m∑k=22k+3=m2+m+1,
于是
Pm=xmC24m+2⩾m2+m+1(2m+1)(4m+1)>18.
**注:** 实际上,可以证明xm=m2+m+1.
**(2024年天津高考20题)** 设f(x)=xlnx. (1)求f(x)在点(1,f(1))处的切线方程; (2)若f(x)⩾a(x−√x)对x∈(0,+∞)都成立,求a的取值范围; (3)当x1,x2∈(0,1)时,求证: |f(x1)−f(x2)|⩽|x1−x2|1/2. **解.** 函数f(x)的定义域为(0,+∞). (1)由于f′(x)=lnx+1, f(1)=0, f′(1)=1,故所求切线方程为y=x−1. (2)由f(x)⩾a(x−√x)可得lnx⩾a(1−1√x). 令g(x)=lnx−a(1−1√x), 则g′(x)=1x−a2x√x=√x−a2x√x. 若a⩽0,则g(x)在(0,+∞)上单调递增, 而g(1)=0,故当0<x<1时, g(x)<0,矛盾. 若a>0,则g(x)在(0,a24) 上单调递减,在[a24,+∞) 上单调递增.若a24≠1, 则必有g(a24)<g(1)=0,矛盾.故a24=1,解得a=2. (3) **解法一:** 不妨设0⩽x1⩽x2⩽1, 要证|f(x1)−f(x2)|⩽|x1−x2|1/2, 只需证 −√x2−x1⩽x1lnx1−x2lnx2⩽√x2−x1. 一方面,由(√x2−x1+√x1)2=x2+2√(x2−x1)x1⩾x2可知√x2−x1≥√x2−√x1. 下面证明: x1lnx1−x2lnx2⩽√x2−√x1, 这等价于证明x1lnx1+√x1⩽x2lnx2+√x2. 令F(x)=xlnx+√x,则F′(x)=lnx+1+12√x. 而F′′(x)=1x−14x√x=4√x−14x√x, 故F′(x)在(0,116)上递减,在(116,1)上递增. 在不等式lnx<12(x−1x) (x>1)中令x=2可知ln2<34. 则F′(x)⩾F′(116)=3−4ln2>0,故F(x)在(0,1)上递增, 于是x1lnx1+√x1⩽x2lnx2+√x2. 从而有x1lnx1−x2lnx2⩽√x2−√x1⩽√x2−x1. 另一方面,由x2−x1⩽1可知x2−x1=√x2−x1⋅√x2−x1⩽√x2−x1,则−√x2−x1⩽x1−x2. 下面证明: x1lnx1−x2lnx2⩾x1−x2, 这等价于证明x1lnx1−x1⩾x2lnx2−x2. 令G(x)=xlnx−x,则G′(x)=lnx<0.故G(x)在(0,1)上递减, 于是x1lnx1−x1⩾x2lnx2−x2. 从而有x1lnx1−x2lnx2⩾x1−x2⩾−√x2−x1. **解法二:** 不妨设0⩽x1⩽x2⩽1,由柯西不等式可得 |x1lnx1−x2lnx2|2=∣∣∣∫x2x1(1+lnx)dx∣∣∣2⩽∫x2x1(1+lnx)2dx∫x2x112dx⩽∫10(1+lnx)2dx∫x2x1dx=∫x2x1dx=|x1−x2|, 于是|f(x1)−f(x2)|⩽|x1−x2|1/2. 这里利用了分部积分公式以及 ∫10(1+lnx)2dx=[x(1+lnx)2]10−∫102(1+lnx)dx=1−[2x(1+lnx)]10+∫102dx=1.
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2022-06-09 2022年高考数学试题解答