本题导读

本题考查导数的应用。核心在于分类讨论法、分段去绝对值法的灵活运用。

📌【题干】

Question

(2013年湖南卷(理)) 已知 ,函数 .

(1)记 在区间 上的最大值为 ,求 的表达式;

(2)是否存在 ,使函数 在区间 内的图象上存在两点,在该两点处的切线相互垂直?若存在,求 的取值范围;若不存在,请说明理由.

🔍【思路分析】

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  1. 去绝对值分段:由 的零点 把定义域分段:当 时 ,当 时 。
  2. 研究单调性:分别对两段求导判断单调性,可知 在 上递减、在 上递增,在 处取最小值 。
  3. 第一问分类讨论:比较区间 与极值点 的位置:若 , 在 上递减,最大值在 处;若 ,最大值取端点 与 的较大者,再按 与 的大小细分。
  4. 第二问转条件:两点处切线垂直 两点导数值之积为 。由单调性知两点必分居 两侧,设 、,把条件化为关于 与 的两个取值集合有公共元素。

✅【答案】

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(1)

(2)存在,

✍【详细解析】

Abstract

(1)求 的表达式

由 的零点为 ,分段得

当 时,,则 故 在 上单调递减;

当 时,,则 故 在 上单调递增。

(i)若 ,则 在 上单调递减,故 。

(ii)若 ,则 在 上递减、在 上递增,故 而 故当 时 ,此时 ;当 时 ,此时 。

综上所述,

(2)讨论是否存在满足条件的

由(1)知,当 时, 在 上单调递减, 恒成立,图象上任两点处切线斜率的乘积为正数,不可能等于 ,故 不满足要求。

当 时, 在 上递减、在 上递增。若存在 ,,使曲线 在点 、 处的切线互相垂直,则由单调性知必有 、,且 即 亦即

由 、 得

故 成立的充要条件是集合 与集合 的交集非空。 因为 (),所以 当且仅当 ,即 。

综上所述,存在满足条件的 ,且 的取值范围是 。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

核心考点:含绝对值函数的分段处理、利用导数研究函数的单调性与最值、导数的几何意义(切线斜率)以及两条直线垂直的充要条件。

核心方法:分类讨论法加值域交集法。第一问按极值点 与区间 的位置关系分类求最值;第二问把「切线垂直」翻译成「导数值之积为 」,再把等式两边分别看成关于 、 的表达式,用两个值域集合有公共元素求解。

避坑指南:- 去绝对值后两段在 处的函数值为 ,是分段后最容易出错的地方。 - 时两处切线斜率同号,乘积不可能为 ,这一情形要单独说明并排除。 - 由 直接得到 ,不要漏掉 这一前提。

📖【试题探源与推广】

Tip

试题探源:函数的单调性与最值、导数的几何意义、分段函数的图象与性质。

结论推广:对 ,其在 内存在两点处切线互相垂直的充要条件是 ,与区间长度 的具体数值有关( 出现在 中)。

方法推广:「图象上存在两点处切线互相垂直」这类存在性问题,通法是把垂直条件 分离成 的形式,再要求 、 在各自区间上的值域有公共元素。

🔗【关联脉络】

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