本题导读

本题考查三角函数的导数公式,以及导函数的图象截距与特殊值。

📌【题干】

Question

(2012年湖南卷(理))

函数 的导函数 的部分图象如图 4 所示,其中, 为图象与 轴的交点, 为图象与 轴的两个交点, 为图象的最低点.

(1)若 ,点 的坐标为 ,则 .

(2)若在曲线段 与 轴所围成的区域内随机取一点,则该点在 内的概率为 .

🔍【思路分析】

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  1. 因为已知 ,所以根据导数公式 以及复合函数求导法则,求出导函数 。
  1. 因为点 在导函数图象上,所以将 和 代入导函数方程,构建关于 的方程即可求出其值。
  1. 因为第二问属于几何概型,所以需要分别计算两个区域的面积。由图象可知 位于 轴下方,其所围成图形的面积可以通过对 在区间 上进行定积分求得。
  1. 因为 为相邻的两个零点, 为最值点,所以 的底边长为半个周期 ,高为导函数的最大振幅 ,代入三角形面积公式,最后由概率 求解。

✅【答案】

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(1) 3

(2)

✍【详细解析】

Abstract

(1)求解 的值

因为 ,

所以由复合函数求导法则可得导函数为:

因为 且导函数图象过点 ,

所以将 代入导函数方程满足:

因为 ,

所以代入上式得:

(2)求解几何概型概率

由图 4 可知,导函数 在相邻零点 和 之间的图象位于 轴下方。

因为 为相邻的两个零点,

所以轴向距离满足:

因为曲线段 与 轴围成的总区域面积 等于导函数绝对值在零点区间上的定积分,

所以满足:

因为 是导函数(余弦型)的零点,所以它们必定是原函数(正弦型)的最值点。由于图象在整个单调半周期内向下弯曲,

所以满足 , 。

代入定积分公式上限与下限:

因为 的底边为线段 ,高为点 到 轴的垂直距离,

所以底边长 ,高 。

根据三角形面积公式满足:

因为目标点落入内侧属于几何概型,

所以根据几何概型概率计算公式满足:

故答案为:(1)3 ;(2)

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:正弦型函数导数的链式法则展开、定积分在求解正弦型单峰面积中的代数应用、几何概型中图形面积的比例计算。
  1. 核心方法:定积分面积微元法。处理由三角函数曲线段与坐标轴围成的特殊曲边梯形面积时,通过定积分(牛顿-莱布尼茨公式)进行原函数还原代入,是攻克几何概型压轴题的通用大招。
  1. 避坑指南:
  • 因为区域 严格驻留在 轴的下方,其对应的导函数值为负,所以在列定积分表达式时,必须在前置端加上负号(或加绝对值符号),否则算出的面积会变成负数。
  • 因为对正弦型曲线的对称性质记忆不牢,容易在寻找积分上下限对应的 值时产生混乱。牢记导数的零点位置无条件对应着原函数的最值点位置。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源:本题源于人教A版高中数学老教材选修2-2第一章《导数及其应用》与必修3《概率》中关于定积分几何意义及几何概型交叉融合的经典压轴填空题。
  1. 结论推广:
  • 标准正弦波单峰面积守恒模型:在实数系空间中,对于任意标准正弦波或余弦波形 。因为其积分函数的周期性对称,所以其次级波形的任意一个独立单峰(从相邻零点到零点)所对底轴围成的封闭图形面积,在宏观代数拓扑演绎后,其面积大小彻底与频率 及初相 发生解耦,刚性收敛为一个仅与振幅相关的绝对定值:
$$S_{\text{单峰}} \equiv \frac{2A}{\omega}$$
  • 因为本题是对导函数 求单峰面积,此时其对应的振幅 。直接套用该推广模型快速得出可得: 。利用该模型可以完全跳过繁琐的定积分书写步骤,在考场上实现快速肉眼快速得出。

🔗【关联脉络】

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