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21解析几何★★★★☆
已知椭圆 C:y2a2+x2b2=1C:\dfrac{y^2}{a^2}+\dfrac{x^2}{b^2}=1(a>b>0a>b>0)的离心率为 53\dfrac{\sqrt5}{3},点 A(−2,0)A(-2,0) 在 CC 上.
(1) 求 CC 的方程; (2) 过点 (−2,3)(-2,3) 的直线交 CC 于 PP,QQ 两点,直线 APAP,AQAQ 与 yy 轴的交点分别为 MM,NN,证明:线段 MNMN 的中点为定点.
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 设椭圆的半焦距为 cc,则 c2=a2−b2c^2=a^2-b^2. 由点 A(−2,0)A(-2,0) 在椭圆上,得 b=2b=2. 又由离心率得 c2a2=59\dfrac{c^2}{a^2}=\dfrac59,所以 1−4a2=591-\dfrac{4}{a^2}=\dfrac59,从而 a=3a=3. 因此 CC 的方程为 y29+x24=1\dfrac{y^2}{9}+\dfrac{x^2}{4}=1. \item 过点 (−2,3)(-2,3) 的直线若为 x=−2x=-2,则与椭圆只有一个交点,故由题意可设该直线斜率为 kk,其方程为 y=k(x+2)+3y=k(x+2)+3. 设 P(x1,y1)P(x_1,y_1),Q(x2,y2)Q(x_2,y_2),则 x1x_1,x2x_2 是方程
9x2+4(k(x+2)+3)2=369x^2+4\bigl(k(x+2)+3\bigr)^2=36
的两个根,即
(9+4k2)x2+8k(2k+3)x+4(2k+3)2−36=0(9+4k^2)x^2+8k(2k+3)x+4(2k+3)^2-36=0
由韦达定理, x1+x2=−8k(2k+3)9+4k2x_1+x_2=-\frac{8k(2k+3)}{9+4k^2},x1x2=16k(k+3)9+4k2x_1x_2=\frac{16k(k+3)}{9+4k^2}. 直线 APAP 与 yy 轴的交点纵坐标为 2y1x1+2\dfrac{2y_1}{x_1+2},而 y1=k(x1+2)+3y_1=k(x_1+2)+3,所以该纵坐标为 2k+6x1+22k+\dfrac{6}{x_1+2}. 同理,点 NN 的纵坐标为 2k+6x2+22k+\dfrac{6}{x_2+2}. 因而线段 MNMN 的中点横坐标为 00,纵坐标为
2k+3(1x1+2+1x2+2)=2k+3x1+x2+4x1x2+2(x1+x2)+42k+3\left(\frac1{x_1+2}+\frac1{x_2+2}\right)=2k+3\frac{x_1+x_2+4}{x_1x_2+2(x_1+x_2)+4}
由上式中的韦达关系, x1+x2+4=12(3−2k)9+4k2x_1+x_2+4=\frac{12(3-2k)}{9+4k^2},x1x2+2(x1+x2)+4=369+4k2x_1x_2+2(x_1+x_2)+4=\frac{36}{9+4k^2}, 故中点纵坐标为 2k+3⋅3−2k3=32k+3\cdot\dfrac{3-2k}{3}=3. 所以线段 MNMN 的中点为定点 (0,3)(0,3). \end{enumerate} \end{solution}

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23不等式★★★★☆
已知 f(x)=2∣x∣+∣x−2∣f(x)=2|x|+|x-2|.
(1) 求不等式 f(x)≤6−xf(x)\le6-x 的解集; (2) 在直角坐标系 xOyxOy 中,求不等式组
{f(x)≤y,x+y−6≤0\begin{cases} f(x)\le y,\\ x+y-6\le0 \end{cases}
所确定的平面区域的面积.
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 当 x<0x<0 时,f(x)=2−3xf(x)=2-3x;当 0≤x≤20\le x\le2 时,f(x)=x+2f(x)=x+2;当 x>2x>2 时,f(x)=3x−2f(x)=3x-2. 因此
{2−3x≤6−x,x<0,x+2≤6−x,0≤x≤2,3x−2≤6−x,x>2.\begin{cases} 2-3x\le6-x,&x<0,\\ x+2\le6-x,&0\le x\le2,\\ 3x-2\le6-x,&x>2. \end{cases}
第一种情形得 −2≤x<0-2\le x<0,第二种情形得 0≤x≤20\le x\le2,第三种情形无解,所以不等式的解集为 [−2,2][-2,2]. \item 不等式组表示的区域位于曲线 y=f(x)y=f(x) 上方、直线 y=6−xy=6-x 下方. 由第(1)问,区域的横坐标范围为 [−2,2][-2,2]. 当 −2≤x≤0-2\le x\le0 时,上、下边界之差为 (6−x)−(2−3x)=4+2x(6-x)-(2-3x)=4+2x;当 0≤x≤20\le x\le2 时,上、下边界之差为 (6−x)−(x+2)=4−2x(6-x)-(x+2)=4-2x. 因此区域面积为
∫−20(4+2x) dx+∫02(4−2x) dx=4+4=8\int_{-2}^{0}(4+2x)\,\mathrm{d}x+\int_{0}^{2}(4-2x)\,\mathrm{d}x=4+4=8
\end{enumerate} \end{solution}

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15不等式★★★★☆
若不等式 4−x2⩽k(x+1)\sqrt{4-x^{2}} \leqslant k(x+1) 的解集为区间 [a,b][a,b],且 b−a=1b-a = 1,则 k=‾k =\underline{\hspace{2em}}.
\begin{solution} 根式有意义要求 −2⩽x⩽2-2\leqslant x\leqslant2. 若 k>0k>0,当 x⩽−1x\leqslant-1 时右端不为正而左端非负,只有可能在 x=−2x=-2 时成立,但此时右端为 −k<0-k<0,仍不成立,所以解集包含于 (−1,2](-1,2]. 又 x=2x=2 对任意 k>0k>0 都满足不等式,故解集若为 [a,b][a,b],必有 b=2b=2. 由 b−a=1b-a=1,得到 a=1a=1. 因为 11 是定义域内部的解集端点,连续函数两边的符号必须在此处改变,故在 x=1x=1 处取等号: 4−1=k(1+1)\sqrt{4-1}=k(1+1),从而 k=32k=\frac{\sqrt{3}}{2}.
反向验证:当 k=32k=\frac{\sqrt{3}}{2} 时,解集必须满足 x>−1x>-1,且平方等价于 4−x2⩽34(x+1)24-x^{2}\leqslant\frac34(x+1)^{2},即 7x2+6x−13⩾07x^{2}+6x-13\geqslant0,也就是 (7x+13)(x−1)⩾0(7x+13)(x-1)\geqslant0. 与 (−1,2](-1,2] 取交集,解集恰为 [1,2][1,2],长度为 11.
若 k=0k=0,不等式只在 x=−2x=-2 或 x=2x=2 时成立,解集不是区间. 若 k<0k<0,成立时必须有 x<−1x<-1,且 −2-2 属于解集而 −1-1 不属于解集;若解集是长度为 11 的闭区间,就只能是 [−2,−1][-2,-1],矛盾. 因而 k=32k=\frac{\sqrt{3}}{2}. \end{solution}

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