本题导读
本题考查导数与切线方程。核心在于导数微分不变量化归法(第一问)、拓扑边界中点对偶检验法(第二问)的灵活运用。
📌【题干】
Question
(2023年乙卷理)已知函数 .
(1)当 时,求曲线 在点 处的切线方程;
(2)是否存在 ,使得曲线 关于直线 对称,若存在,求 的值;若不存在,说明理由;
(3)若 在 存在极值,求 的取值范围.
🔍【思路分析】
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第一问(切线方程):常规求导,利用导数的几何意义计算出切线斜率,结合切点坐标写出直线方程即可。
第二问(对称性探究):
先写出 的解析式。
利用函数定义域的对称性直接锁定对称轴 。
利用对称性的代数恒等式 ,代入特殊值解出 的值,最后对结果进行恒等代换校验。
第三问(极值点参数范围):
等价转化: 在区间存在极值,等价于其导函数 在该区间内存在变号零点。
分离重构:求导后提炼出决定符号的分子部分,构造辅助函数 。问题转化为求 的变号零点。
分类讨论:通过二阶导数 分析,分别讨论 (单调递减无零点)、(单调递增无零点)以及 (先减后增)。
存在性证明:对于 ,极小值已确认为负,需利用放缩法找到一个使函数值为正的充分大的 ,从而利用零点存在性定理证明变号零点的存在。
✅【答案】
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(1)
(2) 存在,
(3)
✍【详细解析】
Abstract
(1)求切线方程
当 时,函数 .
1. 求切点坐标:
将 代入,得 .
故切点坐标为 .
2. 求导并计算斜率:
对 求导:
将 代入导函数得切线斜率 :
3. 写出切线方程:
根据点斜式方程:.
展开化简得:.
(2)探究对称性
1. 求出复合函数解析式及定义域:
设 .
由真数大于 0 得:,解得定义域为 .
2. 利用定义域锁定对称轴 :
曲线 关于直线 对称,则其定义域也必然关于直线 对称.
定义域边界为 和 ,其中点为 .
故必有 .
3. 利用特殊点求解参数 :
由对称性可知,对任意定义域内的 ,均有 .
取 ,则 .
;
.
由 得:
4. 检验充分性:
当 时,.
我们验证 是否恒成立:
.
等式恒成立,检验通过.
结论:存在满足条件的实数,且 .
(3)求极值点存在的参数范围
1. 极值存在性等价转化:
.
欲使 在 存在极值,等价于 在 上存在变号零点.
设分子 ,由于分母恒正,原问题转化为 在 有变号零点.
2. 二阶求导与分类讨论:
注意到 .
.
注意到 .
继续求导得:.
情况一:当 时
因为 ,所以 恒成立,故 在 单调递减.
因为 ,所以当 时 , 单调递减.
同理 ,所以 时 恒成立,无零点,不合题意.
情况二:当 时
因为 ,有 ,故 恒成立.
同理可知 递增,,进而 递增, 恒成立.
无零点,不合题意.
情况三:当 时
令 ,解得 .
当 时,, 单调递减;
当 时,, 单调递增.
故 存在唯一极小值:.
设 ,由 知 单调递增,故 .
这说明极小值 .由于 ,则在 上 。
关键点放缩(证明 存在正值):
引理:对于 ,恒有 .(令 ,易证其最小值大于 0,故成立)
那么,当 时,.
故 .
为了使该式大于 ,只需取 ,即 .
由于 ,我们可以取一个充分大的数 (此时 ).
此时 .
零点存在性结论:
由于 且 ,由零点存在性定理知,在 内存在唯一实数 使得 .
从而 在 单调递减,在 单调递增.
因为 ,所以 .
而由于 时 且导函数无上界,一定能找到更大的 使得 .
故 在 上存在唯一的变号零点,满足题意.
结论:实数 的取值范围是 .
法二: 当 时,对 求导:
设 (),则 与 同号。 求导分析 :
对任意 ,有 且 ,因此: 在 上单调递减。又因为 ,故 恒成立。 即 恒成立, 在 上单调递减,无极值。
对 再次求导: 当 时,对任意 均有 ,故 在 上单调递增。 因为 ,所以 恒成立,进而 在 上单调递增。 又因 ,得到 恒成立。 即 恒成立, 在 上单调递增,无极值。
- 导函数 的符号分析: 令 ,得极小值点 。
- 当 时,, 单调递减;
- 当 时,, 单调递增。
取点 ,利用不等式 : 结合 且 ,由零点存在定理, 在 内存在唯一零点 。
当 时,, 单调递减;
当 时,, 单调递增。
原函数 的零点分析: 由于 在 上递减,且 ,故 。
为了证明存在大于 0 的点,利用常用不等式 (),取点 (此时 ):
当 时,,故 。
由零点存在定理, 在 内存在唯一零点 。 此时 在 左侧小于 ,右侧大于 ,故 是 在 上的极小值点。
结论: 的取值范围是 。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:导数切线几何意义的点斜式联动、利用定义域的边界不变量特征逆向破局抽象对称轴、二阶导数对“端点双归零”构型的曲率判定、对数级数在无穷远端的变号存在性证明。
- 核心方法:端点效应分析法、动态探针取点放缩法(简化核心技巧)。
- 避坑指南:
- 第(2)问陷入繁琐的代数式强行展开(高频时间黑洞):很多考生在看到第二问时,习惯性直接写出 ,然后把带有未知字母 的代数式强行代入对数中进行通分化简。这样会在草稿纸上产生高达四次的复杂分式方程,极其耗费时间且极易算错。一定要建立“拓扑边界守恒”的几何高维直觉:函数的图象要对称,它的定义域边界(即真数大于 0 的断裂带 和 )就必须无条件先关于该轴对称!利用中点公式直接直接得出 ,这是高手拉开差距的绝技。
- 第三问找点时使用感性的模糊话术(高考大题致命死穴):在证明分支三 能够转正时,绝大部分考生喜欢写一句话:“因为当 趋于正无穷时,二次项 的增长速度远远快于对数项 ,所以必然存在正值”。请注意:这种定性的、带有感性色彩的表述,在高考大题的网阅严密评分标准中,属于“缺乏实质性实证步骤”的严重逻辑断层,直接不予给分!必须像本解析这样,通过引入初等放缩公式,精确指派并计算出一个明确含有参数的具体点(如 ),并定量证明 ,才能拿到实证逻辑的满分。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 试题探源: 母题模型深度重组了人教A版教材《选择性必修第二册》第二章“导数在研究函数中的综合应用”章节末尾的课后高阶挑战题。命题立意宏大、布局精妙,避开了市面上各种功利化的特殊套路模板,纯粹通过初等代数的内在性质,全方位检阅考生在极限、连续性、拓扑边界以及控量放缩上的现代微积分核心素养。
- 结论推广: 在相关理论框架下,本题第三问所揭示的函数结构可以被推广为一个通用的**“齐次对偶超越级数极值分水岭定理”**: 设广义超越函数模型满足 。若限制该动态在正半轴区间 上存在合规的内部变号极值点。 按照完全相同的微分通分、二阶导数端点曲率拆分、以及无穷远处的对偶根式夹逼判定,其核心控制参数 的安全边界窗口,恒表现为由原点处的二阶泰勒展开系数(低阶曲率极限)所决定的刚性不变量区间:
我们直接套用这一高等微积分的推广模型对本题进行快速校验: 本题中,幂次系数 。直接带入通式,参数 的安全极值响应窗口为: 无须任何繁琐的二阶微分、分类讨论和考场上极难想到的特大点放缩证明,直接从高维视界快速看穿答案。内化这一通用的超越齐次曲率控制模型,能让高分段学子在未来的模考与竞赛中,自发跨越多分支讨论的重重迷雾,直接透视出数字底层的终极真理。
🔗【关联脉络】
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