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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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21导数及其应用★★★★★
设函数 f(x)=ln⁡x+mxf(x) = \ln x + \frac{m}{x},m∈Rm \in \mathbf{R}.
(1) 当 m=em = \mathrm{e}(e\mathrm{e} 为自然对数的底数)时,求 f(x)f(x) 的极小值; (2) 讨论函数 g(x)=f′(x)−x3g(x) = f'(x) - \frac{x}{3} 零点的个数; (3) 若对任意 b>a>0b > a > 0,f(b)−f(a)b−a<1\frac{f(b) - f(a)}{b - a} < 1 恒成立,求 mm 的取值范围.
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 当 m=em=\mathrm{e} 时,x>0x>0,且
f′(x)=1x−ex2=x−ex2f'(x)=\frac1x-\frac{\mathrm{e}}{x^2}=\frac{x-\mathrm{e}}{x^2}
因此 f′(x)<0f'(x)<0 在 (0,e)(0,\mathrm{e}) 上成立,f′(x)>0f'(x)>0 在 (e,+∞)(\mathrm{e},+\infty) 上成立,故 x=ex=\mathrm{e} 处取得极小值. 其值为
f(e)=ln⁡e+ee=1+1=2f(\mathrm{e})=\ln\mathrm{e}+\frac{\mathrm{e}}{\mathrm{e}}=1+1=2
\item x>0x>0 时
g(x)=1x−mx2−x3g(x)=\frac1x-\frac{m}{x^2}-\frac{x}{3}
由于 3x2>03x^2>0,g(x)=0g(x)=0 等价于
m=φ(x):=x−x33m=\varphi(x):=x-\frac{x^3}{3}
又
φ′(x)=1−x2\varphi'(x)=1-x^2
所以 φ\varphi 在 (0,1)(0,1) 上递增,在 (1,+∞)(1,+\infty) 上递减,且 φ(0+)=0\varphi(0^+)=0,φ(1)=23\varphi(1)=\frac23,φ(x)→−∞\varphi(x)\to-\infty(x→+∞x\to+\infty). 因此,当 m>23m>\frac23 时有 00 个零点;当 m=23m=\frac23 或 m⩽0m\leqslant0 时有 11 个零点;当 0<m<230<m<\frac23 时有 22 个零点. \item 令 h(x)=f(x)−xh(x)=f(x)-x. 题设不等式等价于对任意 b>a>0b>a>0 有 h(b)<h(a)h(b)<h(a),即 hh 在 (0,+∞)(0,+\infty) 上严格递减. 求导得
h′(x)=1x−mx2−1=−x2−x+mx2h'(x)=\frac1x-\frac{m}{x^2}-1=-\frac{x^2-x+m}{x^2}
当 m⩾14m\geqslant\frac14 时,
x2−x+m=(x−12)2+m−14⩾0x^2-x+m=\left(x-\frac12\right)^2+m-\frac14\geqslant0
所以 h′(x)⩽0h'(x)\leqslant0,且至多在一个点取零. 对任意 b>a>0b>a>0,h(b)−h(a)=∫abh′(x) dx<0h(b)-h(a)=\int_a^b h'(x)\,\mathrm dx<0,故 hh 严格递减,题设成立.
当 m<14m<\frac14 时,x2−x+mx^2-x+m 在 x=12x=\frac12 处为负,故在该点附近 h′(x)>0h'(x)>0,可以取 b>a>0b>a>0 使 h(b)>h(a)h(b)>h(a),题设不成立. 因此
m∈[14,+∞)m\in\left[\frac14,+\infty\right)
\end{enumerate} \end{solution}

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