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挑战 2021 年高考数学全国乙卷压轴大题 ​

2021 年高考已落下帷幕,转眼间大学即将毕业。回想当年高考解析几何和导数两个压轴大题没能拿到满分,内心感到非常遗憾。因此,今天我将重新来到高考的古战场,再战解几导数大题。

每年高考全国Ⅰ卷数学的题型分布都会有小幅变化。过去,一般解析几何是第 20 题(倒数第二题,不含选做题),导数是第 21 题(压轴大题)。今年,解析几何成为压轴大题,导数则是倒数第二题。这究竟会带来怎样的变化?下面我们逐一来看这两题。

导数 ​

设函数 f(x)=ln⁡(a−x),已知 x=0 是函数 y=xf(x) 的极值点。

(1) 求 a;

(2) 设函数 g(x)=x+f(x)xf(x),证明 g(x)<1。

解

第 (1) 小题,我们可以根据题干当中的已知条件,通过极值点的性质列关于 a 的方程,即可反解出 a。首先,我们对 y 求导:

y′=f(x)+xf′(x)=ln⁡(a−x)−xa−x

然后,我们令 x=0,y′=0,即可反解出 a:

ln⁡a=0⇒a=1

第 (2) 小题,如果直接对 g(x) 求导,分母是幂函数和对数函数的复合函数,而且求导后在分子上会出现二次,计算量极其巨大。因此,去分母是本题的关键。

历年来的全国卷导数题都有这样一个特点:第 (1) 小题的结论可以在第 (2) 小题当中使用。我们做完第 (1) 小题后,其实只是求出了一个未知参数,没有得到某一个具体函数的性质。这个时候,我们来观察第 (2) 小题当中的目标函数 g(x)。我们发现,g(x) 的分母恰好是函数 y。因此,研究函数 y 是非常有必要的。

另一方面,第 (2) 小题让我们证明一个不等式,而不是等式。因此,我们要想直接去掉分母比较困难。如果分母是恒正或恒负,能够大大降低我们的计算量,方便我们解题。所以,我们期望函数 y 的值域应当恒正或恒负。即使不是,我们也可以在不同的区间上讨论。

由 (1) 可知:f(x)=ln⁡(1−x),那么 y=xln⁡(1−x)。显然,它们的定义域都是 (−∞,1)。根据 (1) 的求导结果,我们可以很容易写出 y′ 的解析式:

y′=ln⁡(1−x)+xx−1

解析式还存在对数函数,很难一眼看出单调性。但是对数函数求导一次就能变成分式,因此我们对函数 y 求二阶导数:

y″=1x−1−1(x−1)2=x−2(x−1)2

由于函数 y 的定义域是 (−∞,1),显然 y″<0,y′ 在定义域内单调递减。而 x=0 是 y 的极值点,也就是 y′ 的零点。故 y 在 (−∞,0) 上单调递增,在(0,1) 上单调递减。因此我们可以判断:

y<y(0)=0

这是一个非常漂亮的结论:g(x) 的分母是恒负的。因此,要证 g(x)<1,只需证 x+f(x)>xf(x)。于是我们令 h(x)=x+f(x)−xf(x),并对其求导:

h′(x)=1−11−x−ln⁡(1−x)+x1−x

解析式当中还含有对数函数,我们需要求二阶导数,才能把对数消掉:

h″(x)=−1(x−1)2+11−x+1(x−1)2=11−x>0

因此,h′(x) 在定义域内单调递增。而 h′(0)=0,故 h(x) 在 (−∞,0) 上单调递减,在 (0,1) 上单调递增。因此,我们可以判断:

h(x)>h(0)=0

证毕。

总结

作为倒数第二题,本题难度适中。本题的关键就在于去分母,而去分母的思路来源于第 (1) 小题。如果不去分母,计算量极其巨大。本题没有涉及到分类讨论,与过去全国Ⅰ卷的导数题相比难度较小。

解析几何 ​

已知抛物线 C: x2=2py(p>0) 的焦点为 F,且 F 与圆 M: x2+(y+4)2=1 上点的距离最小值为 4。

(1) 求 p;

(2) 若点 P 在圆 M 上,PA、PB 是抛物线 C 的两条切线,A、B 为切点,求 △PAB 面积的最大值。

解

第 (1) 小问需要求解焦准距 p,依题意,抛物线开口向上,小圆圆心在 y 负半轴上。显然,抛物线焦点到圆顶部 (0,−3) 的距离最小。我们可以列出下面这个简单方程求解:

p2−(−4+1)=4⇒p=2

重点来看第 (2) 小问。题型很常规,题目也非常易懂,就是求解三角形面积的最值问题。我们首先来梳理一下,三角形面积求解的主要方法:

  1. S=12ah。在解析几何中,我们通常需要先求出一条直线的方程,然后才能求直线上的线段长以及点到直线的距离。
  2. S=12absin⁡θ。常见于平面几何解三角形,但是在解析几何中,该方法较少使用。原因在于,在解析几何中,一个角的正切值相对好求,可以用斜率的几何意义加上三角恒等变换中的两角正切差公式求出,但是由正切求正弦非常困难。余弦定理虽然可以求出余弦,但是计算量特别大,而正弦定理并不能求出一个角的正弦。

经过上述分析,我们明确,本题求解三角形面积应当采用第 1 种方法。那么,谁作底边,谁作顶点?很明显,动点 P 是一定要作为顶点的,因为它是主动点。切点 A、B 是从动点,它们是随着 P 点的运动而运动的。这样,直线 AB 就成了三角形底边所在直线。至此,我们的思路已基本明确。

解析几何有两种起手式:设点与设线。关于动点 P,这是一定要设的,毋庸置疑。难道我们希望联立两条切线以及圆的方程来确定 P 点?这是绝对不可能的。我们应该如何设呢?我一开始想,可以尝试用参数方程,即设 P 点坐标为 (cos⁡θ,sin⁡θ−4)。但是,使用参数方程涉及到三角函数的计算,相较于有理代数运算困难。而且,抛物线的参数方程不含三角函数。因此,我们就设 P 点坐标为 (x0,y0)。

现在,大难题出现了:究竟是设直线 AB 的方程,还是设 A、B 两个端点的坐标?我们下面逐一尝试一下:

设线

目前来看,直线 AB 不过任何定点。因此,我们只能设直线 AB 的斜截式方程,并与抛物线方程联立:

{ y=kx+b x2=4y

消去 y,得到:

x2−4kx−4b=0

弦长很容易就能计算。为了方便,我们计算弦长的平方:

|AB|2=(x1−x2)2+(y1−y2)2=(1+k2)[(x1+x2)2−4x1x2]=16(1+k2)(k2+b)

相切的条件该怎么用呢?我们可以把抛物线改写成二次函数求导:

y=14x2⇒y′=12x

然后利用导数和切线斜率的关系列方程:

{12x1=y1−y0x1−x012x2=y2−y0x2−x0

计算量正在变大,但是还是可以算下去。我们去分母然后两式相加:

12(x12+x22)−12x0(x1+x2)=y1+y2−2y012[(x1+x2)2−2x1x2]−2kx0=k(x1+x2)+2b−2y012(16k2+8b)−2kx0=4k2+2b−2y02k2+y0+b=kx0

下面我们来计算点 P 到 AB 的距离。同样为了方便,我们来算距离的平方:

dP→AB2=(kx0+b−y0)21+k2

这样,我们就可以来算三角形的面积了。同样是算面积的平方,要注意这里可以将 kx0 代入,将 x0 和 y0 一并消去:

S△PAB2=14|AB|2dP→AB2=4(1+k2)(k2+b)(kx0+b−y0)21+k2=4(k2+b)(2k2+2b)2=16(k2+b)3

显然,这里我们可以将 k2+b 看成是一个整体。但是,k2+b 一定是有取值范围的,我们需要确定这个取值范围。不过不要忘记,点 P 在圆 M 上的条件还没有使用:

x02+(y0+4)2=1

然而,我已经感觉很不妙了,怎样才能通过 x0 和 y0 的关系确定 k 和 b 的关系呢?我发现了之前计算得到的一个式子:

2k2+y0+b=kx0

我们将这个式子两边平方,然后将 x02 整体代入得:

(2k2+y0+b)2=k2[1−(y0+4)2]

然而这个式子根本无法消掉 y0。设线的方法宣告失败!

设点

我们设 A 点坐标为 (x1,y1),B 点坐标为 (x2,y2)。关键来了,下一步应该干什么?是直接写出直线 AB 的两点式方程吗?

显然不是的,因为我们有一个非常好的条件还没用——相切。因为我们有 A、B 两点坐标,得到切线斜率非常容易,可以直接写出切线的点斜式方程:

lPA:y−y1=12x1(x−x1)lPB:y−y2=12x2(x−x2)

由于 A、B 两点都在抛物线上,满足抛物线方程,我们可以把上面的直线方程简化一下:

lPA:y=12x1x−y1lPB:y=12x2x−y2

这两条切线都经过 P 点,我们将 P 点坐标代入:

{ y0=12x1x0−y1 y0=12x2x0−y2

本题的破题点来了。你是否能看出直线 AB 的方程?

lAB:y0=12x0x−y

A、B 两点都满足上面的方程,而两点确定一条直线,那么上面的方程就表示直线 AB。

有了直线 AB 的方程,一切都好办了。先把直线方程与抛物线方程联立:

{ y0=12x0x−y x2=4y

得到:

x2−2x0x+4y0=0

先算弦长:

|AB|2=(x1−x2)2+(y1−y2)2=(1+14x02)[(x1+x2)2−4x1x2]=(1+14x02)(4x02−16y0)

再算距离:

dP→AB2=(12x02−2y0)21+14x02

最后算三角形的面积。要注意,这里我们再用点 P 在圆 M 上的条件来消参就可以成功:

S△PAB2=14|AB|2dP→AB2=(x02−4y0)(12x02−2y0)2=2(12x02−2y0)3=2[12(1−(y0+4)2)−2y0]3=2[12−12(y02+8y0+16)−2y0]3=2[−12y02−6y0−152]3=2[−12(y0+6)2+212]3

配方后,转化为二次函数在闭区间上的最值问题。而 y0∈[−5,−3],故 y0=−5 时,S△PAB 取最大值,最大值为:

S△PAB=2[−12(−5+6)2+212]3=205

总结

解析几何作为全国卷压轴大题的情况较为罕见,但实际上这道题目非常常规,计算量其实不算特别大,但是有一定的技巧性。

首先,要明确计算三角形面积的思路。然后,要选择设点作为起手式。这里面的原因在于,设点可以更好地利用相切的已知条件,可以非常方便地写出切线方程。再加上对直线方程的理解,可以不用计算就可以得到弦所在直线方程。虽然设线在一开始就可以得到弦所在直线方程,但是相切的条件就不是那么方便使用,而且计算到最后,利用 P 点在圆上的条件很难消参。

另外,本题不适合设线还有一个原因就是,本题的 P 点是主动点,而切点是从动点。设线相当于是把切点当成主动点了,这样就会产生一个问题,需要反过来表示 P 点的时候就会困难,体现在解题步骤当中就是无法消参。

在考场上,最大的困难就在于理清思路。如果没有理清思路,就是直接设完就算,最终自己都不知道自己在算什么了。

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