设 a > 0,函数 f ( x ) = array l…——2023 高考数学第 15 题答案解析

2023_北京卷

2023 北京 第 15 题 解答题 区分题
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15. 设 $a > 0$ ,函数 $f ( x ) = \left\{ \begin{array} { l l } { x + 2 , x < - a , } \\ { \sqrt { a ^ { 2 } - x ^ { 2 } } , - a \leq x \leq a , } \\ { - \sqrt { x } - 1 , x > a . } \end{array} \right.$ ,给出下列四个结论:

① f x( ) 在区间 ( 1, )a - +¥ 上单调递减;

②当a ³1时,f x( )存在最大值;

③设 $M \left( x _ { 1 } , f \bigl ( x _ { 1 } \bigr ) \right) \left( x _ { 1 } \leq a \right) , N \bigl ( x _ { 2 } , f \bigl ( x _ { 2 } \bigr ) \bigr ) \bigl ( x _ { 2 } > a \bigr )$ ,则 | $M N | { > } 1$

④设 $P { \big ( } x _ { 3 } , f { \big ( } x _ { 3 } { \big ) } { \big ) } { \big ( } x _ { 3 } < - a { \big ) } , Q { \big ( } x _ { 4 } , f { \big ( } x _ { 4 } { \big ) } { \big ) } { \big ( } x _ { 4 } \geq - a { \big ) }$ .若| |PQ 存在最小值,则a的取值范围是 $\left( 0 , { \frac { 1 } { 2 } } \right]$

其中所有正确结论的序号是

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②③

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【答案】②③

【解析】

【分析】先分析f(x)的图像,再逐一分析各结论;对于①,取 $a = \frac { 1 } { 2 }$ ,结合图像即可判断;对于②,分段讨论f(x)的取值范围,从而得以判断;对于③,结合图像可知 $\left| M N \right|$ 的范围;对于④,取 $a = \frac { 4 } { 5 }$ ,结合图

像可知此时 $| P Q |$ 存在最小值,从而得以判断.

【详解】依题意, $a > 0$

当 $x < - a$ 时, $f ( x ) = x + 2$ ,易知其图像为一条端点取不到值的单调递增的射线;

当 $- a \leq x \leq a$ 时, $f \left( x \right) = { \sqrt { a ^ { 2 } - x ^ { 2 } } }$ ,易知其图像是,圆心为(0,0),半径为a的圆在x轴上方的图像(即半圆);

当 $x > a$ 时, $f ( x ) = - { \sqrt { x } } - 1$ ,易知其图像是一条端点取不到值的单调递减的曲线;

对于①,取 $a = \frac { 1 } { 2 }$ ,则 $f ( x )$ 的图像如下,

显然,当 $x \in \left( a - 1 , + \infty \right)$ ,即 $x \in \left( - \frac { 1 } { 2 } , + \infty \right)$ 时, $f ( x ) \not \equiv \left( - \frac { 1 } { 2 } , 0 \right)$ 上单调递增,故①错误;

对于②,当 $a \geq 1$ 时,

当 $x < - a$ 时, $f ( x ) = x + 2 < - a + 2 \leq 1$ ;

当 $- a \leq x \leq a$ 时, $f \left( x \right) = { \sqrt { a ^ { 2 } - x ^ { 2 } } }$ 显然取得最大值a;

当 $x > a$ 时, $f \left( x \right) = - { \sqrt { x } } - 1 < - { \sqrt { a } } - 1 \leq - 2$

综上:f(x)取得最大值a,故②正确;

对于③,结合图像,易知在 $x _ { 1 } = a , x _ { 2 } > a$ 且接近于 $x = a$ 处,

$M \left( x _ { 1 } , f { \big ( } x _ { 1 } { \big ) } \right) ( x _ { 1 } \leq a ) , N { \big ( } x _ { 2 } , f { \big ( } x _ { 2 } { \big ) } { \big ) } { \big ( } x _ { 2 } > a { \big ) }$ 的距离最小,

当 $x _ { 1 } = a$ 时, $\textstyle y = f { \bigl ( } x _ { 1 } { \bigr ) } = 0$ ,当 $x _ { 2 } > a$ 且接近于x a= 处, $y _ { 2 } = f { \big ( } x _ { 2 } { \big ) } < - { \sqrt { a } } - 1$

此时, $\left| M N \right| > y _ { 1 } - y _ { 2 } > \sqrt { a } + 1 > 1$ ,故③正确;

对于④,取 $a = \frac { 4 } { 5 }$ ,则 f(x)的图像如下,

因为 $P { \big ( } x _ { 3 } , f { \big ( } x _ { 3 } { \big ) } { \big ) } { \big ( } x _ { 3 } < - a { \big ) } , Q { \big ( } x _ { 4 } , f { \big ( } x _ { 4 } { \big ) } { \big ) } { \big ( } x _ { 4 } \geq - a { \big ) }$

结合图像可知,要使 $| P Q |$ 取得最小值,则点P在 $f \left( x \right) = x + 2 { \Biggl ( } x < - { \frac { 4 } { 5 } } { \Biggr ) }$ 上,点 $\boldsymbol { Q } \#$

$$ f (x) = \sqrt {\frac {1 6}{2 5} - x ^ {2}} \left(- \frac {4}{5} \leq x \leq \frac {4}{5}\right) $$

同时 $| P Q |$ 的最小值为点O到 $f \left( x \right) = x + 2 { \Biggl ( } x < - { \frac { 4 } { 5 } } { \Biggr ) }$ 的距离减去半圆的半径a,

此时,因为 $f \left( x \right) = y = x + 2 { \Biggl ( } x < - { \frac { 4 } { 5 } } { \Biggr ) }$ 的斜率为1,则 $k _ { O P } = - 1$ ,故直线 $O P$ 的方程为 $y = - x$

联立 $\left\{ { \begin{array} { l } { y = - x } \\ { y = x + 2 } \end{array} } \right.$ ,解得 $\left\{ { \begin{array} { l } { x = - 1 } \\ { y = 1 } \end{array} } \right.$ ,则 $P \left( - 1 , 1 \right)$

显然P(-1,1)在 $f \left( x \right) = x + 2 { \Biggl ( } x < - { \frac { 4 } { 5 } } { \Biggr ) }$ 上,满足 $| P Q |$ 取得最小值,

即 $a = \frac { 4 } { 5 }$ 也满足 $| P Q |$ 存在最小值,故a的取值范围不仅仅是 $\left( 0 , { \frac { 1 } { 2 } } \right]$ ,故④错误.

故答案为:②③.

【点睛】关键点睛:本题解决的关键是分析得 $f ( x )$ 的图像,特别是当- £ £a x a时, $f ( x ) = { \sqrt { a ^ { 2 } - x ^ { 2 } } }$ 的图像为半圆,解决命题④时,可取特殊值进行排除即可.

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