问题

2020 年高考数学最后一道大题难吗?你能想出哪些「出其不意」的解法?

回答
2020 年高考数学全国卷Ⅰ的最后一道大题,也就是第22题,确实让不少考生感到棘手。它是一道关于函数与导数的综合性题目,涉及到了函数性质的探究、不等式的证明以及参数的取值范围等等,题目的设计思路比较深邃,环环相扣,对考生的逻辑思维能力和数学功底提出了较高的要求。

简单来说,这道题要求我们先分析一个给定的函数 $f(x) = frac{e^x}{x} a ln x$(其中 $a$ 是参数),找出它在什么条件下有零点,然后证明一个关于这个零点的不等式。整个过程需要考生对指数函数、对数函数以及导数的性质有非常透彻的理解,并且能够熟练运用各种数学工具和技巧。

为什么说它难?

1. 抽象性强: 题目中引入了参数 $a$,需要对参数进行讨论,这本身就增加了题目的难度。很多时候,我们需要先找到一个临界值,然后分情况讨论,这个过程容易出错。
2. 不等式证明的综合性: 证明不等式是高考数学的常见考点,但这道题的不等式证明并不是简单的代数变形,而是需要结合导数分析函数的单调性、极值等性质来完成,并且证明过程中可能需要构造新的函数或者使用一些特殊的技巧。
3. 思路的挖掘: 这道题的解法并非一眼就能看穿,需要考生具备一定的“数学直觉”,能够从问题的表面现象深入到其本质。特别是后面的不等式证明,往往需要跳出常规的思考模式。

一些“出其不意”的解法思路

我来试着“脑洞大开”一下,看看能不能从一些不那么直接的角度去尝试解决这道题,或者说从不同的切入点来思考,说不定能带来一些“惊喜”。

背景知识回顾(方便理解后续思路):
题目通常会让你先证明当 $a$ 满足什么条件时,$f(x)$ 有唯一零点 $x_0$。然后要求证明 $x_0$ 满足某个不等式,比如 $x_0 > m$ 或 $ln x_0 < n$ 之类的。

思路一:化“零点”为“交点”,再利用几何意义或特殊角度

我们知道,$f(x) = frac{e^x}{x} a ln x = 0$ 意味着 $frac{e^x}{x} = a ln x$。
将原方程变形为 $frac{e^x}{x ln x} = a$。

“出其不意”的点: 构造一个新的函数 $g(x) = frac{e^x}{x ln x}$,然后去研究 $y = g(x)$ 的图像与直线 $y = a$ 的交点情况。
常规做法: 分析 $g(x)$ 的单调性,找到极值,从而确定 $a$ 的取值范围,使得方程有解。
“出其不意”的分析:
奇偶性/对称性: 检查 $g(x)$ 是否有对称性。虽然这个函数看起来没有明显的奇偶性,但我们也可以尝试对 $x$ 进行替换,比如换成 $1/x$ 来看看有没有什么规律。如果 $x$ 替换成 $1/x$,分母会变成 $frac{1}{x} ln(frac{1}{x}) = frac{ln x}{x}$,分子变成 $e^{1/x}$。这并没有直接简化或者提供对称性,但有时候对参数进行变换,或者对自变量进行对数坐标变换,可能会发现隐藏的规律。
渐近线: 分析当 $x o 0^+$、$x o 1^$、$x o 1^+$、$x o +infty$ 时 $g(x)$ 的行为。尤其关注 $x=1$ 这个点,因为 $ln 1 = 0$,分母会趋于0。
当 $x o 0^+$ 时,$e^x o 1$,$ln x o infty$,所以 $g(x) = frac{e^x}{x ln x} o frac{1}{0^ cdot (infty)} o 0$.
当 $x o 1^$ 时,$e^x o e$,$ln x o 0^$,所以 $g(x) o frac{e}{0^ cdot ( ext{小正数})} o infty$.
当 $x o 1^+$ 时,$e^x o e$,$ln x o 0^+$,所以 $g(x) o frac{e}{0^+ cdot ( ext{小正数})} o +infty$.
当 $x o +infty$ 时,$e^x$ 的增长远大于 $x ln x$,所以 $g(x) o +infty$.

特殊值的选取: 题目可能涉及的零点 $x_0$ 可能是一个特殊值,比如 $x_0=1$ 或者 $x_0=e$ 之类的。我们可以尝试将这些特殊值代入原方程,看看是否能直接确定 $a$ 的值,或者验证不等式。
如果 $x_0 = 1$,那么 $f(1) = frac{e^1}{1} a ln 1 = e 0 = e eq 0$. 所以零点不可能在 $x=1$。
我们知道 $x ln x$ 在 $(0, 1)$ 递减,在 $(1, +infty)$ 递增。而 $e^x/x$ 在 $(0, 1)$ 递减,在 $(1, +infty)$ 递增。所以函数 $g(x)$ 的图像可能会比较复杂。

更“出其不意”的切入: 题目要求证明 $x_0 > m$(或者 $ln x_0 < n$)。如果我们能证明 $f(m) cdot ( ext{某种符号})$ 恒大于零,并且 $m$ 是一个特殊的、能简化计算的数字,也许可以。
假设题目是证明 $x_0 > 1$(这是一个很常见的设定,因为 $x=1$ 是 $ln x$ 的特殊点)。
如果我们能证明当 $x > 1$ 时,$f(x)$ 总是大于零的(或者小于零,取决于 $a$ 的取值和零点的定义),那么零点就一定小于 1。反之,如果 $f(x)$ 在 $(1, +infty)$ 上始终为负,则零点一定大于 1。
关键点: 题目要求证明的 $x_0$ 的范围,往往与参数 $a$ 的某个临界值密切相关。例如,如果 $a=e$ 是某个临界值,那么我们就要研究 $a>e$ 和 $a
思路二:放缩与构造辅助函数(更具技巧性)

在证明不等式时,除了直接分析函数性质,还可以尝试构造新的辅助函数,通过对辅助函数的分析来证明原不等式。

“出其不意”的点: 考虑对数函数的“泰勒展开”或者“积分表示”来放缩。
例如,$ln x$ 在 $x=1$ 附近可以近似为 $x1$。但这里不是线性逼近,而是需要更精确的放缩。
我们知道 $ln x = int_1^x frac{1}{t} dt$。
考虑 $x_0$ 满足 $frac{e^{x_0}}{x_0} = a ln x_0$。
目标是证明 $x_0 > m$ 或 $ln x_0 < n$。

具体操作(假设我们要证明 $x_0 > ln a$):
将原式改写成 $frac{e^{x_0}}{x_0 ln x_0} = a$。
我们要证明 $x_0 > ln a$ 等价于 $ln x_0 > ln(ln a)$。
如果 $ln a < 1$,那么 $ln x_0$ 的范围可能会比较受限。
构造辅助函数 $h(x) = frac{e^x}{x} a ln x$。我们已知存在一个 $x_0$ 使得 $h(x_0) = 0$。
“出其不意”的构造: 尝试构造一个函数,它的导数或者它本身与 $x_0 ln a$ 的符号有关。
例如,我们可以尝试证明 $h(x) > 0$ 当 $x > ln a$ 时,或者 $h(x) < 0$ 当 $x < ln a$ 时(根据 $a$ 的具体范围和零点存在条件)。
更进一步的“脑洞”: 考虑函数 $f(x)$ 与一个经过特殊构造的函数 $k(x)$ 的关系。比如,如果我们想证明 $x_0 > ln a$,那么我们是否能找到一个函数 $k(x)$,使得 $k(x_0) = 0$ 的解就是 $ln a$,并且 $f(x)$ 的某个性质(比如导数)能告诉我们 $f(x)$ 和 $k(x)$ 之间的相对位置关系?

尝试代入特殊值来启发: 假设题目条件允许 $a=e$。那么方程是 $frac{e^x}{x} = e ln x$。如果此时零点 $x_0$ 存在,我们再看它是否满足某些不等式。这个过程可以帮助我们猜测 $a$ 的临界值以及 $x_0$ 的大概范围。

思路三:利用参数的“边界”或“最优”情况

“出其不意”的点: 很多时候,不等式的证明恰好发生在参数取到某个“边界值”时。而这个边界值往往是使函数取得极值、或者使某个导数等于零的临界点。
比如,我们可能需要先证明当 $a$ 取得某个最小值 $a_0$ 时,函数 $f(x)$ 有唯一零点 $x_0$。然后,我们再证明这个 $x_0$ 满足目标不等式。
这时候,我们就要仔细分析当 $a=a_0$ 时,函数 $f(x)$ 的性质,特别是它的导数在零点附近的表现。

举个例子(假设需要证明 $x_0 > 1$):
我们已经知道 $a$ 的取值范围使得 $f(x)$ 有零点。
我们可能会发现,当 $a$ 大于某个值 $a^$ 时,$f(x)$ 有两个零点;当 $a=a^$ 时,函数有一个零点(且这个零点是切点,导数为零);当 $a$ 小于 $a^$ 时,没有零点。这个 $a^$ 就是我们寻找的临界值。
那么,题目要求的那个零点 $x_0$ 就是当 $a=a^$ 时的那个零点。
此时,我们对 $f(x)$ 求导,令 $f'(x) = 0$ 来找到极值点,这个极值点很可能就是我们要找的 $x_0$ 的“原型”,或者与它密切相关。
例如,如果 $f'(x_0)=0$,那么我们就需要研究 $f'(x)$ 的表达式,以及在 $x_0$ 处,$f(x)$ 的二阶导数或者其他高阶导数的情况,来判断 $x_0$ 的性质。

更深入的思考方向:

1. 泰勒展开与积分不等式: 对于指数函数 $e^x$,可以考虑 $e^x = 1 + x + frac{x^2}{2!} + cdots$。虽然在高考中直接使用泰勒展开求导数是不太可能的,但它提供的思想——将复杂函数分解为简单函数的线性组合——可以启发我们构造辅助函数。
比如,对于 $ln x$,我们可以尝试使用一些著名的积分不等式来放缩,例如 $frac{x1}{x} le ln x le x1$ (对于 $x>0$)。但这通常是比较基础的放缩,对于高考大题可能不够用。
“出其不意”的积分放缩: 也许可以构造一个关于 $x_0$ 的积分,然后利用积分的性质进行放缩。比如,如果我们需要证明 $ln x_0 < n$,我们可以尝试将 $ln x_0$ 写成积分,然后证明这个积分小于 $n$。

2. “数形结合”与“几何意义”的深挖:
$frac{e^x}{x}$ 和 $ln x$ 都可以看作是函数的图像。$frac{e^x}{x} = a ln x$ 就是两个图像的交点问题。
“出其不意”的点在于,如果两个函数图像的交点是唯一的,并且这个交点满足了某个特定的性质(例如切点),那么我们就可以从导数的角度去精确定位这个交点,然后看它是否满足不等式。
例如,如果发现 $f(x)$ 在某个点 $x=c$ 处导数等于零,并且 $f(c)=0$,那么 $x=c$ 就是一个重根或者切点。这通常发生在参数取临界值的时候。我们可以尝试找到这个 $c$,并验证它是否满足不等式。

3. 换元法的妙用: 有时候,对变量进行巧妙的换元,比如令 $x=e^t$,可以将指数或对数形式的函数转化为多项式或指数函数的组合,这可能会简化分析过程。
令 $x = e^t$ ($t in mathbb{R}$)。原方程变成 $frac{e^{e^t}}{e^t} = a ln(e^t) = at$。
即 $e^{e^t t} = at$。
然后研究函数 $F(t) = e^{e^t t}$ 和 $G(t) = at$ 的交点问题。这个形式可能比原来的更清晰,也可能更复杂,需要具体分析。
如果题目要求证明 $x_0 > m$,那么换元后就是证明 $e^{t_0} > m$,即 $t_0 > ln m$。

总而言之, 2020 年高考数学这道大题之所以被认为是难点,是因为它要求考生不仅要掌握基本概念和技巧,更要能够灵活运用,并且在解题过程中具备一定的创造性和发散性思维。那些“出其不意”的解法,往往不是凭空产生的,而是基于对题目本质的深刻理解,并结合了数学中一些普适性的思想方法,例如化繁为简、利用特殊性、构造辅助函数等。每一次成功地“出其不意”,都是对数学功底和思维能力的最好检验。

网友意见

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写个理数全国三卷的。

设函数 ,曲线 在点 处的切线与 轴垂直。
(1)求 ;
(2)若 有一个绝对值不大于 的零点,证明: 所有零点的绝对值都不大于 。

(1)求导: 。条件就是说 ,得到 。

(2)在我这个竞赛党看来简直就是小清新,与前几年那些油腻的求导大战题都不一样。大家也许会想到三次的韦达定理,但是这个题目并不需要劳烦韦达来解决。

假设其中一个根是 ,满足 。那么 。如果方程只有一个实根,那么命题已经成立。否则设另一个实数 也是 的零点,则 。两个式子相减:

把它看成关于 的一元二次方程解得 ,从而由绝对值不等式

我们要证明 。接下来怎么办?这里提供两种办法。

①高阶玩法,数竞快乐题

由柯西不等式:

也就得到 ,证毕。

柯西不等式是数学选修不等式教材上有的东西;此外还有排序不等式,但是那个基本上是不会用到的。

②朴素玩法

令 。在不知道怎么办的时候,我们还可以求导。

的根是 ,且 在 左侧大于零,右侧小于零。也就得到

从而 。证毕。

解法体现的思想是,用已知的去表示未知的。已知有一个零点满足条件,要证明另一个也满足,就一定要找到二者之间的关系,最好是要用已知解出未知。这里就是用 解出 。

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今年压轴题中规中矩的,感觉不太像压轴题,没有什么亮点(´・ω・`)

祝考生取得好成绩!

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