已知关于 x 的函数 y=f(x), y=g(x) 与 h…——2020 高考数学第 19 题答案解析

2020_江苏卷 (2020)

2020 Jiangsu Question 19 Free-response Differentiating
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19.已知关于 $x$ 的函数 $y=f(x), y=g(x)$ 与 $h(x)=k x+b(k, b \in \mathbf{R})$ 在区间 $D$ 上恒有 $f(x) \geq h(x) \geq g(x)$ .
(1)若 $f(x)=x^{2}+2 x, g(x)=-x^{2}+2 x, D=(-\infty,+\infty)$ ,求 $h(x)$ 的表达式;
(2)若 $f(x)=x^{2}-x+1, g(x)=k \ln x, h(x)=k x-k, D=(0,+\infty)$ ,求 $k$ 的取值范围;
(3)若 $f(x)=x^{4}-2 x^{2}, g(x)=4 x^{2}-8, h(x)=4\left(t^{2}-t\right) x-3 t^{4}+2 t^{2}(0<|t| \leqslant \sqrt{2}), D=[m, n] \subseteq[-\sqrt{2}, \sqrt{2}]$ ,求证:$n-m \leq \sqrt{7}$ .

Answer key

(1) $h(x)=2 x$; (2) $k \in[0,3]$; (3) 证明详见解析

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(1)由 $-x^2+2x\le kx+b\le x^2+2x$ 对任意 $x\in\mathbb R$ 成立,取 $x=0$,得 $0\le b\le0$,故 $b=0$。于是右半不等式化为 $kx\le x^2+2x$,即 $x^2+(2-k)x\ge0$ 对任意 $x\in\mathbb R$ 成立。该二次函数开口向上且恒非负,所以判别式 $(2-k)^2\le0$,得 $k=2$。此时左半不等式 $-x^2+2x\le2x$ 也恒成立,因此 $h(x)=2x$。

(2)由 $h(x)\ge g(x)$,得 $kx-k\ge k\ln x$,即 $k(x-1-\ln x)\ge0$ 对任意 $x>0$ 成立。令 $\varphi(x)=x-1-\ln x$,则 $\varphi'(x)=1-\frac1x$,所以 $\varphi(x)$ 在 $(0,1)$ 上递减,在 $(1,+\infty)$ 上递增,最小值为 $\varphi(1)=0$。因此 $\varphi(x)\ge0$,且 $x\ne1$ 时 $\varphi(x)>0$。若 $k<0$,则存在 $x>0$ 使 $k\varphi(x)<0$,矛盾,故 $k\ge0$。

再由 $f(x)\ge h(x)$,得 $x^2-x+1\ge kx-k$,即 $x^2-(k+1)x+(k+1)\ge0$ 对任意 $x>0$ 成立。当 $k\ge0$ 时,二次函数对称轴为 $x=\frac{k+1}{2}>0$,最小值为
$\frac{(k+1)(3-k)}{4}$。
要使不等式恒成立,需 $\frac{(k+1)(3-k)}{4}\ge0$,结合 $k\ge0$ 得 $0\le k\le3$。所以 $k\in[0,3]$。

(3)第三问中 $h(x)$ 的一次项系数应为 $4(t^3-t)$,即 $h(x)=4(t^3-t)x-3t^4+2t^2$。计算得
$f(x)-h(x)=x^4-2x^2-4(t^3-t)x+3t^4-2t^2=(x-t)^2(x^2+2tx+3t^2-2)$。
记 $Q(x)=x^2+2tx+3t^2-2$。

若 $0<t^2<1$,则 $Q(-t)=2t^2-2<0$,且 $t\ne0$,故
$f(-t)-h(-t)=(-t-t)^2Q(-t)=4t^2Q(-t)<0$。
因此 $-t$ 不可能属于 $[m,n]$。又 $-t\in(-1,1)\subset[-\sqrt2,\sqrt2]$,所以 $[m,n]$ 必在 $-t$ 的一侧。若 $n<-t$,则
$n-m\le n+\sqrt2< -t+\sqrt2\le\sqrt2+|t|$;
若 $m>-t$,则
$n-m\le\sqrt2-m<\sqrt2+t\le\sqrt2+|t|$。
于是 $n-m<\sqrt2+1<\sqrt7$。

若 $1\le t^2\le2$,则 $Q(x)$ 的判别式为 $8(1-t^2)\le0$,且开口向上,故 $Q(x)\ge0$ 对一切实数成立,从而 $f(x)\ge h(x)$ 自动满足。由 $h(x)\ge g(x)$ 得
$4x^2-4(t^3-t)x+3t^4-2t^2-8\le0$ 对 $x\in[m,n]$ 成立。
该二次式开口向上,且在 $[m,n]$ 上非正,故其两根 $x_1\le x_2$ 存在,并满足 $[m,n]\subseteq[x_1,x_2]$,所以 $n-m\le x_2-x_1$。由韦达定理,
$x_1+x_2=t^3-t$,$x_1x_2=\frac{3t^4-2t^2-8}{4}$,
因此
$(x_2-x_1)^2=(t^3-t)^2-4\cdot\frac{3t^4-2t^2-8}{4}=t^6-5t^4+3t^2+8$。
令 $u=t^2\in[1,2]$,设 $P(u)=u^3-5u^2+3u+8$,则
$P'(u)=3u^2-10u+3=(3u-1)(u-3)$。
当 $u\in[1,2]$ 时,$P'(u)<0$,故 $P(u)$ 单调递减,最大值为 $P(1)=7$。于是 $(x_2-x_1)^2\le7$,即 $n-m\le\sqrt7$。

综上,$n-m\le\sqrt7$。

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