(本小题满分 13 分) 设 a>0, b>0,已知函数…——2013 高考数学第 21 题答案解析

2013_退役省自主命题 (2013·文)

2013 全国 第 21 题 解答题 区分题
2013_退役省自主命题 (2013·文)

21.(本小题满分 13 分)
设 $a>0, b>0$,已知函数 $f(x)=\frac{a x+b}{x+1}$.
(I)当 $a \neq b$ 时,讨论函数 $f(x)$ 的单调性;
(II)当 $x>0$ 时,称 $f(x)$ 为 $a, b$ 关于 $x$ 的加权平均数.
(i)判断 $f①, f\left(\sqrt{\frac{b}{a}}\right), f\left(\frac{b}{a}\right)$ 是否成等比数列,并证明 $f\left(\frac{b}{a}\right) \leq f\left(\sqrt{\frac{b}{a}}\right)$;
(ii)$a, b$ 的几何平均数记为 $G$.称 $\frac{2 a b}{a+b}$ 为 $a, b$ 的调和平均数,记为 $H$.
若 $H \leq f(x) \leq G$,求 $x$ 的取值范围.

参考答案

(I)对 $a, b$ 大小讨论来证明(II)$a=b, x \in(0,+\infty), a<b, x \in\left[\sqrt{\frac{b}{a}}, \frac{b}{a}\right]$, $a>b, x \in\left[\frac{b}{a}, \sqrt{\frac{b}{a}}\right]$

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[答案](I)对 $a, b$ 大小讨论来证明(II)$a=b, x \in(0,+\infty), a<b, x \in\left[\sqrt{\frac{b}{a}}, \frac{b}{a}\right]$, $a>b, x \in\left[\frac{b}{a}, \sqrt{\frac{b}{a}}\right]$.
[解析]分析:(I)先求导,再讨论导数的正负.②先分别気示出 $f(1), f\left(\sqrt{\frac{b}{a}}\right), f\left(\frac{b}{a}\right)$,再判断是否成等比数列。
解:(I)$f(x)$ 的定义域为 $(-\infty,-1) \cup(-1,+\infty)$,

$$ f^{\prime}(x)=\frac{a(x+1)-(\alpha x+b)}{(x+1)^{2}}=\frac{a-b}{(x+1)^{2}} . $$

当 $a>b$ 时,$f^{\prime}(x)>0$,函数 $f(x)$ 在 $(-\infty,-1),(-1,-\infty)$ 上单调递增;
当 $a<b$ 时,$f^{\prime}(x)<0$,函数 $f(x)$ 在 $(-\infty,-1),(-1,+\infty)$ 上单调递减.
(II)(i)计算得 $f(1)=\frac{a+b}{2}>0, f\left(\frac{b}{a}\right)=\frac{2 a b}{a+b}>0, f\left(\sqrt{\frac{b}{a}}\right)=\sqrt{a b}>0$.
故 $f① f\left(\frac{b}{a}\right)=\frac{a+b}{2} \cdot \frac{2 a b}{a+b}=a b=\left[f\left(\sqrt{\frac{0}{a}}\right)\right]^{2}$,即

$$ f(1) f\left(\frac{b}{a}\right)=\left[f\left(\sqrt{\frac{b}{a}}\right)\right]^{2} $$

所以 $f①, f\left(\sqrt{\frac{b}{a}}\right), f\left(\frac{b}{a}\right)$ 成等比数列。
因 $\frac{a+b}{2} \geq \sqrt{a b}$,即 $f(1) \geq f\left(\sqrt{\frac{b}{a}}\right)$.由①得 $f\left(\frac{b}{a}\right) \leq f\left(\sqrt{\frac{b}{a}}\right)$.
(ii)由(i)知 $f\left(\frac{b}{a}\right)=H, f\left(\sqrt{\frac{b}{a}}\right)=G$.故由 $H \leq f(x) \leq G$,得

$$ f\left(\frac{b}{a}\right) \leq f(x) \leq f\left(\sqrt{\frac{b}{a}}\right) $$

当 $a=b$ 时,$f\left(\frac{b}{a}\right)=f(x)=f\left(\sqrt{\frac{b}{a}}\right)=a$.
这时,$x$ 的取值范围为 $(0,-\infty)$;
当 $a>b$ 时, $0<\frac{b}{a}<1$,从而 $\frac{b}{a}<\sqrt{\frac{b}{a}}$,由 $f(x)$ 在 $(0,+\infty)$ 上单调迷增与②式,
得 $\frac{b}{a} \leq x \leq \sqrt{\frac{b}{a}}$,即 $x$ 的取值范围为 $\left[\frac{b}{a}, \sqrt{\frac{b}{a}}\right]$;
当 $a<b$ 时,$\frac{b}{a}>1$,从而 $\frac{b}{a}>\sqrt{\frac{b}{a}}$,由 $f(x)$ 在 $(0,+\infty)$ 上单调迷减与②式,
得 $\sqrt{\frac{b}{a}} \leq x \leq \frac{b}{a}$,即 $x$ 的取值范围为 $\left[\sqrt{\frac{b}{a}}, \frac{b}{a}\right]$.
[ 考点定位]本题考查函数的性质,考查分类讨论的思想方法.

✅ 来源:2013年 · 全国 · 2013_退役省自主命题 (2013·文) · 第 21 题 · 本题已通过全部自动发布校验

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这道题真正考什么?

核心知识
函数的单调性
核心考法
二次求导构造函数分类讨论
关键能力
应用解答题
最容易错
定义域忽略分类不全
难度
区分题
先及格路线 · 函数的单调性 · 高难题

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