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19立体几何初步★★★★☆
如图,在三棱锥 P−ABCP-ABC 中,AB⊥BCAB\perp BC,AB=2AB=2,BC=22BC=2\sqrt2,PB=PC=6PB=PC=\sqrt6,BPBP,APAP,BCBC 的中点分别为 DD,EE,OO,点 FF 在 ACAC 上,BF⊥AOBF\perp AO.
(1) 证明 EF∥EF\parallel 平面 ADOADO; (2) 若 ∠POF=120∘\angle POF=120^\circ,求三棱锥 P−ABCP-ABC 的体积.
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 设 AF→=mAC→\overrightarrow{AF}=m\overrightarrow{AC},则 0≤m≤10\le m\le1,并且 BF→=(m−1)AB→+mBC→\overrightarrow{BF}=(m-1)\overrightarrow{AB}+m\overrightarrow{BC},AO→=AB→+12BC→\overrightarrow{AO}=\overrightarrow{AB}+\dfrac12\overrightarrow{BC}. 由 BF⊥AOBF\perp AO 及 AB⊥BCAB\perp BC,得
0=BF→⋅AO→=4(m−1)+m2×8=8m−40=\overrightarrow{BF}\cdot\overrightarrow{AO}=4(m-1)+\frac{m}{2}\times8=8m-4
所以 m=12m=\dfrac12,即 FF 是 ACAC 的中点.
在三角形 APCAPC 中,EE,FF 分别是 APAP,ACAC 的中点,所以 EF∥PCEF\parallel PC. 在三角形 BPCBPC 中,DD,OO 分别是 BPBP,BCBC 的中点,所以 DO∥PCDO\parallel PC. 因此 EF∥DOEF\parallel DO,且 DO⊂DO\subset 平面 ADOADO. 又 P∉P\notin 平面 ABCABC,故平面 ADOADO 与平面 ABCABC 的交线为 AOAO. 由 AF→=12AC→=12(AB→+BC→)\overrightarrow{AF}=\dfrac12\overrightarrow{AC}=\dfrac12\left(\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{BC}\right) 与 AO→=AB→+12BC→\overrightarrow{AO}=\overrightarrow{AB}+\dfrac12\overrightarrow{BC},且 AB→\overrightarrow{AB},BC→\overrightarrow{BC} 不共线,可知 F∉AOF\notin AO,从而 F∉F\notin 平面 ADOADO,即 EFEF 不在平面 ADOADO 内. 因此 EF∥EF\parallel 平面 ADOADO. \item 建立空间直角坐标系,使 B=(0,0,0)B=(0,0,0),A=(2,0,0)A=(2,0,0),C=(0,22,0)C=(0,2\sqrt2,0). 设 P=(u,v,w)P=(u,v,w),由 PB=PC=6PB=PC=\sqrt6 得 u2+v2+w2=6u^2+v^2+w^2=6,u2+(v−22)2+w2=6u^2+(v-2\sqrt2)^2+w^2=6. 两式相减得 v=2v=\sqrt2,代回得 u2+w2=4u^2+w^2=4. 由上面的结论,O=(0,2,0)O=(0,\sqrt2,0),F=(1,2,0)F=(1,\sqrt2,0),故 OP→=(u,0,w)\overrightarrow{OP}=(u,0,w),OF→=(1,0,0)\overrightarrow{OF}=(1,0,0),且 ∣OP∣=2|OP|=2,∣OF∣=1|OF|=1.
由 ∠POF=120∘\angle POF=120^\circ,得 u=OP→⋅OF→=∣OP∣∣OF∣cos⁡120∘=−1u=\overrightarrow{OP}\cdot\overrightarrow{OF}=|OP||OF|\cos120^\circ=-1. 所以 w2=4−u2=3w^2=4-u^2=3,点 PP 到平面 ABCABC 的距离为 3\sqrt3. 又 S△ABC=12×2×22=22S_{\triangle ABC}=\dfrac12\times2\times2\sqrt2=2\sqrt2,故
VP−ABC=13S△ABC⋅3=263V_{P-ABC}=\frac13S_{\triangle ABC}\cdot\sqrt3=\frac{2\sqrt6}{3}
\end{enumerate} \end{solution}

2023 · 全国 · 乙卷 · 文 · 第 19 题 · 解答题

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20导数及其应用★★★★☆
已知函数 f(x)=(1x+a)ln⁡(1+x)f(x)=\left(\frac1x+a\right)\ln(1+x).
(1) 当 a=−1a=-1 时,求曲线 y=f(x)y=f(x) 在点 (1,f(1))(1,f(1)) 处的切线方程; (2) 若 f(x)f(x) 在 (0,+∞)(0,+\infty) 上单调递增,求 aa 的取值范围.
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 当 a=−1a=-1 时,f(x)=(1x−1)ln⁡(1+x)f(x)=\left(\dfrac1x-1\right)\ln(1+x),所以 f(1)=0f(1)=0,且
f′(x)=−ln⁡(1+x)x2+1x−11+xf'(x)=-\frac{\ln(1+x)}{x^2}+\frac{\frac{1}{x}-1}{1+x}
因此 f′(1)=−ln⁡2f'(1)=-\ln2,曲线在 (1,f(1))=(1,0)(1,f(1))=(1,0) 处的切线方程为 y=−ln⁡2(x−1)y=-\ln2(x-1),即 y=−(ln⁡2)x+ln⁡2y=-(\ln2)x+\ln2. \item 当 x>0x>0 时,
f′(x)=1x+a1+x−ln⁡(1+x)x2=x+ax2−(1+x)ln⁡(1+x)x2(1+x)f'(x)=\frac{\frac{1}{x}+a}{1+x}-\frac{\ln(1+x)}{x^2}=\frac{x+ax^2-(1+x)\ln(1+x)}{x^2(1+x)}
由于分母为正,f(x)f(x) 在 (0,+∞)(0,+\infty) 上单调递增等价于 a≥g(x)a\ge g(x),其中
g(x)=(1+x)ln⁡(1+x)−xx2g(x)=\frac{(1+x)\ln(1+x)-x}{x^2}
令 h(x)=x22+x−(1+x)ln⁡(1+x)h(x)=\dfrac{x^2}{2}+x-(1+x)\ln(1+x),则 h(0)=0h(0)=0,且 h′(x)=x−ln⁡(1+x)>0h'(x)=x-\ln(1+x)>0(因为 ln⁡(1+x)<x\ln(1+x)<x),所以 h(x)>0h(x)>0. 因而 g(x)<12g(x)<\dfrac12;另一方面,由两次求导或 ln⁡(1+x)=x−x22+o(x2)\ln(1+x)=x-\dfrac{x^2}{2}+o(x^2),得 lim⁡x→0+g(x)=12\lim_{x\to0^+}g(x)=\dfrac12. 所以 sup⁡x>0g(x)=12\sup_{x>0}g(x)=\dfrac12.
当 a≥12a\ge\dfrac12 时,a≥g(x)a\ge g(x) 对任意 x>0x>0 成立,故 f′(x)>0f'(x)>0,函数在 (0,+∞)(0,+\infty) 上单调递增;当 a<12a<\dfrac12 时,由 g(x)→12g(x)\to\dfrac12,可取充分小的正数 xx 使 g(x)>ag(x)>a,此时 f′(x)<0f'(x)<0,不满足题意. 因此 aa 的取值范围为 [12,+∞)\left[\dfrac12,+\infty\right). \end{enumerate} \end{solution}

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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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