本题导读

本题考查函数解析式的构建(实际应用问题)、利用导数研究函数的单调性与最值。核心在于正确理解题意并选用恰当方法求解。

📌【题干】

Question

(2009年山东卷(理)) 两县城 和 相距 ,现计划在两县城外以 为直径的半圆弧 上选择一点 建造垃圾处理厂,其对城市的影响度与所选地点到城市的距离有关,对城 和城 的总影响度为城 与城 的影响度之和.记 点到城 的距离为 ,建在 处的垃圾处理厂对城 和城 的总影响度为 .统计调查表明:垃圾处理厂对城 的影响度与所选地点到城 的距离的平方成反比,比例系数为 ;对城 的影响度与所选地点到城 的距离的平方成反比,比例系数为 ,当垃圾处理厂建在 的中点时,对城 和城 的总影响度为 .

(1)将 表示成 的函数;

(2)讨论(1)中函数的单调性,并判断弧 上是否存在一点,使建在此处的垃圾处理厂对城 和城 的总影响度最小?若存在,求出该点到城 的距离;若不存在,说明理由.

🔍【思路分析】

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  1. 几何关系转化:由 为直径可知 ,利用勾股定理得到 ,从而用 表示出 并确定定义域。

  2. 待定系数求参:依据反比例关系写出 的初步表达式,代入中点特值求出比例系数 。

  3. 换元与导数分析:引入中间变量 简化代数式,通过求导判定导函数的正负,进而得出原函数的单调性与最小值点。

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存在一点使得总影响度最小,此时该点到城 的距离为

✍【详细解析】

Abstract

解:(1)因为 为直径,且点 在半圆弧上(不与 重合), 所以 ,即 。 已知 ,则 ,自变量 的取值范围为 。

由题意,总影响度 。 当垃圾处理厂建在 的中点时,,即 。 代入得 ,解得 。 故所求函数解析式为:。

(2)令 ,由于 ,则 。 原函数转化为 。 对 求导得: 因为 ,所以 。 令 ,解得 。 当 时,, 单调递减; 当 时,, 单调递增。

又因 在 上单调递增,且 时 : 所以当 时, 单调递减; 当 时, 单调递增。 综上所述,存在一点使得总影响度最小,此时该点到城 的距离为 。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:解析几何与函数应用题的结合、复合函数(换元法)的单调性判定。

  2. 核心方法:利用换元法 降低求导及因式分解的复杂度。

  3. 避坑指南:必须注意实际问题中自变量的限制条件,严格写出定义域 ,否则会影响后续单调区间的规范表述。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源: 本题基于人教 A 版选修课程中“利用导数解决实际生活中的优化问题”相关章节改编,属于经典的条件极值应用题。

  2. 结论推广: 一般地,对于函数 ,利用导数或柯西不等式可得,当 时取得极小值(亦为最小值)。本题中 ,直接代入可快速验证 。

🔗【关联脉络】

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