(15 分)(2016•浙江)已知 a ≥ 3,函数 F…——2016 高考数学第 18 题答案解析

2016_浙江卷 (2016·理)

2016 浙江 第 18 题 解答题 区分题
2016_浙江卷 (2016·理)

18.(15 分)(2016•浙江)已知 $\mathrm{a} \geq 3$ ,函数 $\mathrm{F}(\mathrm{x})=\min \left\{2|\mathrm{x}-1|, \mathrm{x}^{2}-2 \mathrm{ax}+4 \mathrm{a}-2\right\}$ ,其中 min $(\mathrm{p}, \mathrm{q})= \begin{cases}\mathrm{p}, & \mathrm{p} \leqslant \mathrm{q} \\ \mathrm{q}, & \mathrm{p}>\mathrm{q}\end{cases}$
(I)求使得等式 $F(x)=x^{2}-2 a x+4 a-2$ 成立的 $x$ 的取值范围
(II)(i)求 $F$( $x$ )的最小值 $m$(a)
(ii)求 $\mathrm{F}(\mathrm{x})$ 在 $[0,6]$ 上的最大值 $\mathrm{M}(\mathrm{a})$

参考答案

(I)$[2, 2a]$
(II)(i)$m(a)=\begin{cases} 0, & 3 \le a \le 2+\sqrt{2} \\ -a^2+4a-2, & a > 2+\sqrt{2} \end{cases}$
(ii)$M(a)=\begin{cases} 34-8a, & 3 \le a < 4 \\ 2, & a \ge 4 \end{cases}$

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设 $f(x) = 2|x-1|$,$g(x) = x^2 - 2ax + 4a - 2$。则 $F(x) = \min\{f(x), g(x)\}$。

(I)求使得 $F(x) = g(x)$ 成立的 $x$ 的取值范围,即求满足 $g(x) \le f(x)$ 的 $x$ 的范围。
由 $a \ge 3$,分两种情况讨论:
1. 当 $x \le 1$ 时,$f(x) = 2(1-x) = 2-2x$。
$g(x) - f(x) = x^2 - 2ax + 4a - 2 - (2-2x) = x^2 - 2(a-1)x + 4a - 4$。
配方得:$(x-(a-1))^2 - (a-1)^2 + 4a - 4 = (x-a+1)^2 - (a^2-2a+1) + 4a - 4 = (x-a+1)^2 - a^2 + 6a - 5$。
或者更简单地,考察 $h(x) = g(x) - f(x)$ 在 $(-\infty, 1]$ 上的最小值。
$h(x) = x^2 - 2(a-1)x + 4a - 4$。对称轴 $x = a-1$。
因为 $a \ge 3$,所以 $a-1 \ge 2 > 1$。
故 $h(x)$ 在 $(-\infty, 1]$ 上单调递减。
$h(x) \ge h(1) = 1 - 2(a-1) + 4a - 4 = 1 - 2a + 2 + 4a - 4 = 2a - 1$。
因为 $a \ge 3$,所以 $2a - 1 \ge 5 > 0$。
即在 $x \le 1$ 时,$g(x) > f(x)$ 恒成立,此时 $F(x) = f(x) \neq g(x)$(除非 $f(x)=g(x)$,但此处严格大于)。
注:若考虑等号,需 $g(x) \le f(x)$。此处 $g(x) - f(x) > 0$,故无解。

2. 当 $x > 1$ 时,$f(x) = 2(x-1) = 2x - 2$。
$g(x) - f(x) = x^2 - 2ax + 4a - 2 - (2x - 2) = x^2 - 2(a+1)x + 4a$。
令 $g(x) - f(x) \le 0$,即 $x^2 - 2(a+1)x + 4a \le 0$。
方程 $x^2 - 2(a+1)x + 4a = 0$ 的两根为:
$x = \frac{2(a+1) \pm \sqrt{4(a+1)^2 - 16a}}{2} = (a+1) \pm \sqrt{(a+1)^2 - 4a} = (a+1) \pm \sqrt{a^2 - 2a + 1} = (a+1) \pm (a-1)$。
两根分别为 $x_1 = (a+1) - (a-1) = 2$, $x_2 = (a+1) + (a-1) = 2a$。
因为 $a \ge 3$,所以 $2 < 2a$。
不等式 $x^2 - 2(a+1)x + 4a \le 0$ 的解集为 $[2, 2a]$。
结合前提 $x > 1$,且 $[2, 2a] \subset (1, +\infty)$,
所以当 $x \in [2, 2a]$ 时,$g(x) \le f(x)$,即 $F(x) = g(x)$。

综上所述,使得 $F(x) = g(x)$ 成立的 $x$ 的取值范围是 $[2, 2a]$。

(II)(i)求 $F(x)$ 的最小值 $m(a)$。
$F(x) = \min\{f(x), g(x)\}$。
$f(x) = 2|x-1| \ge 0$,最小值为 $f(1)=0$。
$g(x) = (x-a)^2 - a^2 + 4a - 2$,开口向上,对称轴 $x=a$。
因为 $a \ge 3$,所以 $g(x)$ 的最小值为 $g(a) = -a^2 + 4a - 2$。

我们需要比较 $f(x)$ 和 $g(x)$ 在整个定义域上的“下包络线”的最小值。
注意到 $F(x)$ 的图像由 $f(x)$ 和 $g(x)$ 中较低的部分组成。
在区间 $[2, 2a]$ 上,$F(x) = g(x)$;在其余部分,$F(x) = f(x)$(当 $g(x) > f(x)$ 时)。
实际上,$F(x)$ 的最小值即为 $\min \{ \min_{x \in \mathbb{R}} f(x), \min_{x \in \mathbb{R}} g(x) \}$ 这种说法并不完全准确,因为取最小值的点可能不在对方定义的“较小”区域内。
更严谨地:
$F(x)$ 是连续函数。
当 $x \in [2, 2a]$ 时,$F(x) = g(x)$。$g(x)$ 在此区间上的最小值取决于对称轴 $a$ 是否在区间内。
因为 $a \ge 3$,且区间为 $[2, 2a]$,显然 $2 \le a \le 2a$(因 $a \ge 2$),所以 $g(x)$ 在 $x=a$ 处取得全局最小值 $g(a) = -a^2 + 4a - 2$。
此时需判断该最小值是否真的被 $F(x)$ 取到。因为在 $x=a$ 处,$a \in [2, 2a]$,所以 $F(a) = g(a)$。
当 $x \notin [2, 2a]$ 时,$F(x) = f(x)$。
$f(x)$ 在 $(-\infty, 2)$ 和 $(2a, +\infty)$ 上的最小值是多少?
$f(x)$ 在 $x=1$ 处取最小值 0。$1 \notin [2, 2a]$,所以 $F(1) = f(1) = 0$。
因此,$F(x)$ 的候选最小值为 $0$ 和 $g(a) = -a^2 + 4a - 2$。
$F(x)$ 的最小值 $m(a) = \min \{ 0, -a^2 + 4a - 2 \}$。

令 $-a^2 + 4a - 2 = 0$,解得 $a = \frac{-4 \pm \sqrt{16-8}}{-2} = 2 \pm \sqrt{2}$。
因为 $a \ge 3$,所以临界点为 $a_0 = 2 + \sqrt{2}$。
当 $3 \le a \le 2+\sqrt{2}$ 时,$-a^2 + 4a - 2 \ge 0$,此时 $m(a) = 0$。
当 $a > 2+\sqrt{2}$ 时,$-a^2 + 4a - 2 < 0$,此时 $m(a) = -a^2 + 4a - 2$。

所以,$m(a) = \begin{cases} 0, & 3 \le a \le 2+\sqrt{2} \\ -a^2 + 4a - 2, & a > 2+\sqrt{2} \end{cases}$。

(ii)求 $F(x)$ 在 $[0, 6]$ 上的最大值 $M(a)$。
$F(x) = \begin{cases} f(x), & x \in [0, 2) \cup (2a, 6] \cap [0,6] \\ g(x), & x \in [2, 2a] \cap [0, 6] \end{cases}$
注意:分界点是 $f(x)=g(x)$ 的根 $2$ 和 $2a$。
已知 $a \ge 3$,所以 $2a \ge 6$。
因此在区间 $[0, 6]$ 上:
当 $0 \le x < 2$ 时,$x < 2 \le 2a$,且 $x$ 不在 $[2, 2a]$ 内(左端点除外,但在 $x=2$ 处两者相等),实际上根据(I)的结论,在 $[2, 2a]$ 上 $g(x) \le f(x)$,在之外 $f(x) < g(x)$。
所以在 $[0, 2)$ 上,$F(x) = f(x)$。
在 $[2, 6]$ 上,因为 $6 \le 2a$,所以 $[2, 6] \subseteq [2, 2a]$,故 $F(x) = g(x)$。

分段求最大值:
1. 在 $[0, 2)$ 上,$F(x) = f(x) = 2|x-1|$。
$f(x)$ 在 $[0, 1]$ 递减,在 $[1, 2)$ 递增。
$f(0) = 2$,$f(1) = 0$,$\lim_{x \to 2^-} f(x) = 2$。
所以此段最大值为 2。

2. 在 $[2, 6]$ 上,$F(x) = g(x) = x^2 - 2ax + 4a - 2$。
$g(x)$ 是开口向上的抛物线,对称轴 $x = a$。
因为 $a \ge 3$,对称轴在区间 $[2, 6]$ 内或右侧(若 $a>6$ 但题目限制 $x$ 到 6,而 $a$ 可以很大吗?题目只说 $a \ge 3$。若 $a > 6$,则 $2a > 12$,区间 $[2,6]$ 仍在 $[2, 2a]$ 内,逻辑成立)。
对于开口向上的二次函数,在闭区间上的最大值必在端点处取得。
端点值为 $g(2)$ 和 $g(6)$。
$g(2) = 4 - 4a + 4a - 2 = 2$。
$g(6) = 36 - 12a + 4a - 2 = 34 - 8a$。

比较 $g(2)$ 和 $g(6)$ 的大小:
$g(6) - g(2) = 34 - 8a - 2 = 32 - 8a = 8(4-a)$。

- 当 $3 \le a < 4$ 时,$4-a > 0 \Rightarrow g(6) > g(2)$。
此时 $[2, 6]$ 上的最大值为 $g(6) = 34 - 8a$。
综合两段,$M(a) = \max \{ 2, 34-8a \}$。
因为 $a < 4 \Rightarrow 8a < 32 \Rightarrow 34-8a > 2$。
所以 $M(a) = 34 - 8a$。

- 当 $a = 4$ 时,$g(6) = 34 - 32 = 2 = g(2)$。
此时 $M(a) = 2$。

- 当 $a > 4$ 时,$4-a < 0 \Rightarrow g(6) < g(2)$。
此时 $[2, 6]$ 上的最大值为 $g(2) = 2$。
综合两段,$M(a) = \max \{ 2, 2 \} = 2$。

综上所述:
$M(a) = \begin{cases} 34 - 8a, & 3 \le a < 4 \\ 2, & a \ge 4 \end{cases}$

✅ 来源:2016年 · 浙江 · 2016_浙江卷 (2016·理) · 第 18 题 · 本题已通过全部自动发布校验

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