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21概率与统计★★★★★
为治疗某种疾病,研制了甲、乙两种新药,希望知道哪种新药更有效,为此进行动物试验. 试验方案如下:每一轮选取两只白鼠对药效进行对比试验. 对于两只白鼠,随机选一只施以甲药,另一只施以乙药. 一轮的治疗结果得出后,再安排下一轮试验. 当其中一种药治愈的白鼠比另一种药治愈的白鼠多 44 只时,就停止试验,并认为治愈只数多的药更有效. 为了方便描述问题,约定:对于每轮试验,若施以甲药的白鼠治愈且施以乙药的白鼠未治愈则甲药得 11 分,乙药得 −1-1 分;若施以乙药的白鼠治愈且施以甲药的白鼠未治愈则乙药得 11 分,甲药得 −1-1 分;若都治愈或都未治愈则两种药均得 00 分. 甲、乙两种药的治愈率分别记为 α\alpha 和 β\beta,一轮试验中甲药的得分记为 XX.
(1) 求 XX 的分布列; (2) 若甲药、乙药在试验开始时都赋予 44 分,pip_i(i=0i=0,11,⋯\cdots,88)表示“甲药的累计得分为 ii 时,最终认为甲药比乙药更有效”的概率,则 p0=0p_0=0,p8=1p_8=1,pi=api−1+bpi+cpi+1p_i=ap_{i-1}+bp_i+cp_{i+1}(i=1i=1,22,⋯\cdots,77),其中 a=P(X=−1)a=P(X=-1),b=P(X=0)b=P(X=0),c=P(X=1)c=P(X=1). 假设 α=0.5\alpha=0.5,β=0.8\beta=0.8.
(i) 证明:{pi+1−pi}\{p_{i+1}-p_i\}(i=0i=0,11,22,⋯\cdots,77)为等比数列; (ii) 求 p4p_4,并根据 p4p_4 的值解释这种试验方案的合理性.

2019 · 全国 · 一卷 · 理 · 第 21 题 · 解答题

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21解析几何★★★★★
如图,OO 为坐标原点,椭圆 C1:x2a2+y2b2=1C_1: \frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} = 1(a>b>0a > b > 0) 的左,右焦点分别为 F1F_1,F2F_2,离心率为 e1e_1;双曲线 C2:x2a2−y2b2=1C_2: \frac{x^2}{a^2} - \frac{y^2}{b^2} = 1 的左,右焦点分别为 F3F_3,F4F_4,离心率为 e2e_2. 已知 e1e2=32e_1 e_2 = \frac{\sqrt{3}}{2},且 ∣F2F4∣=3−1|F_2 F_4| = \sqrt{3} - 1.
(1) 求 C1C_{1},C2C_{2} 的方程; (2) 过 F1F_{1} 作 C1C_{1} 的不垂直于 yy 轴的弦 ABAB,MM 为弦 ABAB 的中点. 当直线 OMOM 与 C2C_{2} 交于 PP,QQ 两点时,求四边形 APBQAPBQ 面积的最小值.
\begin{solution} 设椭圆和双曲线的焦距参数分别为 c=a2−b2c=\sqrt{a^2-b^2},d=a2+b2d=\sqrt{a^2+b^2}. 则 e1=cae_1=\frac{c}{a},e2=dae_2=\frac{d}{a},从而 e12+e22=c2+d2a2=2e_1^2+e_2^2=\frac{c^2+d^2}{a^2}=2,e12e22=34e_1^2e_2^2=\frac34. 所以 e12e_1^2、e22e_2^2 是方程 u2−2u+34=0u^2-2u+\frac34=0 的两个根,即 12\frac12、32\frac32. 由于椭圆离心率小于 11,有 e1=12e_1=\frac{1}{\sqrt2},e2=32e_2=\sqrt{\frac32}. 又因为 F2=(c,0)F_2=(c,0),F4=(d,0)F_4=(d,0),所以
a(e2−e1)=d−c=3−1a(e_2-e_1)=d-c=\sqrt3-1
而 e2−e1=3−12e_2-e_1=\frac{\sqrt3-1}{\sqrt2},故 a=2a=\sqrt2. 于是 c=1c=1,b2=a2−c2=1b^2=a^2-c^2=1,即 C1:x22+y2=1C_1:\frac{x^2}{2}+y^2=1,C2:x22−y2=1C_2:\frac{x^2}{2}-y^2=1.
第二问先设弦 ABAB 的斜率为 kk,由于题设排除了垂直于 yy 轴的水平弦,故 k≠0k\ne0. 直线方程为 y=k(x+1)y=k(x+1). 与椭圆联立得
(1+2k2)x2+4k2x+2k2−2=0(1+2k^2)x^2+4k^2x+2k^2-2=0
由根与系数的关系,弦中点为
M(−2k21+2k2,k1+2k2)M\left(-\frac{2k^2}{1+2k^2},\frac{k}{1+2k^2}\right)
因此直线 OMOM 的方向向量可取 (−2k,1)(-2k,1). 令该直线上的点为 (x,y)=t(−2k,1)(x,y)=t(-2k,1),代入 C2C_2 得
(2k2−1)t2=1(2k^2-1)t^2=1
由于题设要求有两个交点,必须有 k2>12k^2>\frac12,此时
PQ=24k2+12k2−1PQ=\frac{2\sqrt{4k^2+1}}{\sqrt{2k^2-1}}
设椭圆交点的横坐标之差的绝对值为 ∣Δx∣|\Delta x|. 由上面二次方程的判别式,
∣Δx∣=22(1+k2)1+2k2|\Delta x|=\frac{2\sqrt{2(1+k^2)}}{1+2k^2}
所以
AB=∣Δx∣1+k2=22(1+k2)1+2k2AB=|\Delta x|\sqrt{1+k^2}=\frac{2\sqrt2(1+k^2)}{1+2k^2}
四边形 APBQAPBQ 的两条对角线为 ABAB、PQPQ,且交点为 MM. 因此用向量行列式计算面积,注意
det⁡(1k−2k1)=1+2k2\det\begin{pmatrix}1&k\\-2k&1\end{pmatrix}=1+2k^2
得到
S=12∣Δx∣⋅22k2−1(1+2k2)=22(1+k2)2k2−1S=\frac12|\Delta x|\cdot\frac{2}{\sqrt{2k^2-1}}(1+2k^2) =\frac{2\sqrt{2(1+k^2)}}{\sqrt{2k^2-1}}
有限斜率下
S2=8(1+k2)2k2−1=4+122k2−1>4S^2=\frac{8(1+k^2)}{2k^2-1}=4+\frac{12}{2k^2-1}>4
还需考虑 AB∥yAB\parallel y 轴的情形,此时弦为 x=−1x=-1,其中点为 M=(−1,0)M=(-1,0),直线 OMOM 为 xx 轴,与双曲线交于 (−2,0)(-\sqrt2,0)、(2,0)(\sqrt2,0). 此时 AB=2AB=\sqrt2,PQ=22PQ=2\sqrt2,故 S=2S=2. 因而四边形 APBQAPBQ 面积的最小值为 22. \end{solution}

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22导数及其应用★★★★★
已知常数 a>0a > 0,函数 f(x)=ln⁡(1+ax)−2xx+2f(x) = \ln\left(1 + ax\right) - \frac{2x}{x + 2}.
(1) 讨论 f(x)f(x) 在区间 (0,+∞)(0, +\infty) 上的单调性; (2) 若 f(x)f(x) 存在两个极值点 x1x_{1},x2x_{2},且 f(x1)+f(x2)>0f(x_{1}) + f(x_{2}) > 0,求 aa 的取值范围.
\begin{solution} 函数定义域为 (−1a,+∞)\left(-\frac1a,+\infty\right),并且要排除 x=−2x=-2(当该点属于上述区间时). 在 (0,+∞)(0,+\infty) 上,
f′(x)=a1+ax−4(x+2)2=ax2+4a−4(1+ax)(x+2)2f'(x)=\frac{a}{1+ax}-\frac{4}{(x+2)^2} =\frac{ax^2+4a-4}{(1+ax)(x+2)^2}
在所讨论区间内分母恒为正.
当 a⩾1a\geqslant1 时,ax2+4a−4>0ax^2+4a-4>0,所以 f(x)f(x) 在 (0,+∞)(0,+\infty) 上单调递增. 当 0<a<10<a<1 时,令分子为零,得
x0=21−aax_0=2\sqrt{\frac{1-a}{a}}
此时在 0<x<x00<x<x_0 上有 f′(x)<0f'(x)<0,在 x>x0x>x_0 上有 f′(x)>0f'(x)>0,所以 f(x)f(x) 在 (0,21−aa)\left(0,2\sqrt{\frac{1-a}{a}}\right) 上单调递减,在 (21−aa,+∞)\left(2\sqrt{\frac{1-a}{a}},+\infty\right) 上单调递增.
若存在两个极值点,导数方程的两个根必须都在定义域内. 当 0<a<10<a<1 时令
t=21−aa>0t=2\sqrt{\frac{1-a}{a}}>0
导数的两个零点为 −t-t、tt. 当 a≠12a\ne\frac12 时,
t<1a⟺4a(1−a)<1⟺(2a−1)2>0t<\frac1a \quad\Longleftrightarrow\quad 4a(1-a)<1 \quad\Longleftrightarrow\quad (2a-1)^2>0
所以 −t>−1a-t>-\frac1a,且 t≠2t\ne2,故 ±t\pm t 均在定义域内;在定义域内除去可能的 x=−2x=-2 后,分母为正,故 f′(x)f'(x) 的符号由 a(x2−t2)a(x^2-t^2) 决定,−t-t 处由正变负、tt 处由负变正,二者确为极值点. 当 a=12a=\frac12 时,−t=−2-t=-2 不在定义域内,只剩一个极值点. 因而存在两个极值点当且仅当 0<a<10<a<1 且 a≠12a\ne\frac12. 计算函数值之和:
f(−t)+f(t)=ln⁡(1−a2t2)+4t24−t2f(-t)+f(t)=\ln(1-a^2t^2)+\frac{4t^2}{4-t^2}
由 t2=4(1−a)at^2=4\frac{(1-a)}{a},可化为
f(−t)+f(t)=2ln⁡∣2a−1∣+4(1−a)2a−1f(-t)+f(t)=2\ln|2a-1|+\frac{4(1-a)}{2a-1}
当 12<a<1\frac12<a<1 时,令 u=2a−1∈(0,1)u=2a-1\in(0,1),上式为
2(ln⁡u+1u−1)2\left(\ln u+\frac1u-1\right)
函数 ln⁡u+1u−1\ln u+\frac{1}{u}-1 在 (0,1)(0,1) 上为正,因为其在 u=1u=1 的值为零,且导数 (u−1)u2<0\frac{(u-1)}{u^2}<0. 因而此时函数值之和大于零.
当 0<a<120<a<\frac12 时,令 u=1−2a∈(0,1)u=1-2a\in(0,1),上式为
2ln⁡u−2u−2<02\ln u-\frac2u-2<0
所以满足条件的参数范围为 a∈(12,1)a\in\left(\frac12,1\right). \end{solution}

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