本题导读

本题考查利用导数研究函数的极值与最值,以及同角三角函数的基本关系。

📌【题干】

Question

(2023年上海卷)某公园欲修建一段斜坡,坡顶是一条直线,斜坡起点在水平面上,斜坡顶点距水平地面的高度为 4 米,坡面与水平面所成的夹角为 .行人沿着斜坡每向上走 消耗的体能为 ,欲使行人从斜坡底走到斜坡顶端所消耗的总体能最小,则 ________.

🔍【思路分析】

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  1. 建立代数模型:在直角三角形中,已知对边(高度为 4),倾斜角为 ,可通过正弦定义求出斜边(斜坡长度)长 。
  2. 构建目标函数:根据关系式 ,列出关于 的函数 。根据物理背景, 。
  3. 求导锁定最值:利用商的求导法则对目标函数求导,令导数 得到驻点。通过分析驻点两侧导数的正负符号确定单调性,证明该点即为全局体能消耗最小的极小值点,最后用反三角函数作答。

✅【答案】

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✍【详细解析】

Abstract

第一步:确定斜坡长度与自变量范围 设斜坡长度为 米。已知斜坡的铅直高度为 4 米,斜坡面与水平面的夹角为 。 由直角三角形的三角函数定义: 根据实际修建斜坡的物理背景,倾斜角 的取值范围为 。

第二步:建立总体能消耗的目标函数 由题意,行人每向上走 1 米消耗的体能为 。 设上坡所消耗的总体能为 ,可构建关于 的函数关系式: 将常数项系数 4 乘入分子中(注意 ):

第三步:对目标函数求导 应用分式商的求导法则 ,对 关于自变量 求导:

根据基本初等导数公式 ,且 ,代入分子展开:

利用同角三角函数的平方关系 ,化简导数分子得:

第四步:求解驻点并分析单调区间 令 。因为在区间 内,分母 恒成立,因此只需满足分子为 0: 在锐角范围内,存在唯一驻点:。

由于余弦函数 在 上是单调递减的,故对分子 的正负进行区间判定:

  • 当 时,,则导数 ,函数 单调递减;
  • 当 时,,则导数 ,函数 单调递增.

第五步:确定最值 综上单调性分析,函数 在唯一驻点 处左减右增,取得全局极小值,即为最小值。 此时,行人从底端走到顶端消耗的总体能最小。

故答案为:。

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:利用三角函数建立几何应用问题模型、商的求导公式、超越函数单调区间的判定规律。
  2. 核心方法:方程建模法、导数最值优化法。
  3. 避坑指南:
  • 求导符号差失误:计算 时,务必牢记 。两个负号合并后为正,即 ,切勿因符号错漏导致分子无法运用 进行化简。
  • 单调性误判:导数符号由分子 决定。由于第一象限内余弦值随角度增大而减小,因此当 较小时, 较大,反而导致 (导数为负)。在判定增减性时,应高度警惕余弦函数的减函数性质,防止将极小值点错看为极大值点。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源:本题作为上海高考填空题的压轴关卡,将现实生活中的“爬坡体能消耗”进行数学抽象,本质上考查了超越分式方程最值的导数通性解法,具有较强的数据处理与建模素养考查意图。
  2. 结论推广:这是一类经典的物理最值结构。在形如 的最优控制模型中: 对函数进行通用求导,其分子项恒表现为 。 由于分母 ,函数的唯一最值临界点永远由方程 决定,即 。 在本题中,直接识别系数 ,代入二级结论直接得出 ,从而锁定答案为 。

🔗【关联脉络】

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