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2024年高考数学北京20

  2024-08-28 22:37:18  

(15分)已知$f(x)=x+k\ln (1+x)$在$(t$,$f(t))(t > 0)$处切线为$l$.
(1)若切线$l$的斜率$k=-1$,求$f(x)$单调区间;
(2)证明:切线$l$不经过$(0,0)$;
(3)已知$k=1$,$A(t$,$f(t))$,$C(0$,$f(t))$,$O(0,0)$,其中$t > 0$,切线$l$与$y$轴交于点$B$,当$2S_{\Delta ACO}=15S_{\Delta ABO}$,符合条件的$A$的个数为?
(参考数据:$1.09 < \ln 3 < 1.10$,$1.60 < \ln 5 < 1.61$,$1.94 < \ln 7 < 1.95)$
分析:(1)直接代入$k=-1$,再利用导数研究其单调性即可;
(2)写出切线方程$y-f(t)=(1+\dfrac{k}{1+t})(x-t)(t > 0)$,将$(0,0)$代入再设新函数$F(t)=\ln (1+t)-\dfrac{t}{1+t}$,利用导数研究其零点即可;
(3)分别写出面积表达式,代入$2S_{\Delta ACO}=15S_{\Delta ABO}$得到$13\ln (1+t)-2t-15\dfrac{t}{1+t}=0$,再设新函数$h(t)=13\ln (1+t)-2t-\dfrac{15t}{1+t}(t > 0)$研究其零点即可.
解:(1)$f(x)=x-\ln (1+x)$,$f'(x)=1-\dfrac{1}{1+x}=\dfrac{x}{1+x}(x > -1)$,
当$x\in (-1,0)$时,$f\prime (x) < 0$,$f(x)$在$(-1,0)$上单调递减,
当$x\in (0,+\infty )$,$f\prime (x) > 0$,$f(x)$在$(0,+\infty )$上单调递增,
则$f(x)$的单调递减区间为$(-1,0)$,单调递增区间为$(0,+\infty )$.
(2)$f'(x)=1+\dfrac{k}{1+x}$,$l$的斜率为$1+\dfrac{k}{1+t}$,
故切线方程为$y-f(t)=(1+\dfrac{k}{1+t})(x-t)(t > 0)$,
代入$(0,0)$,$-f(t)=-t(1+\dfrac{k}{1+t})$,$f(t)=t(1+\dfrac{k}{1+t})$,
$t+k\ln (1+t)=t+t\dfrac{k}{1+t}$,则$\ln (1+t)=\dfrac{t}{1+t}$,$\ln (1+t)-\dfrac{t}{1+t}=0$,
令$F(t)=\ln (1+t)-\dfrac{t}{1+t}$,
若$l$过$(0,0)$,则$F(t)$在$t\in (0,+\infty )$存在零点.
$F'(t)=\dfrac{1}{1+t}-\dfrac{1+t-t}{(1+t)^2}=\dfrac{t}{(1+t)^2} > 0$,
故$F(t)$在$(0,+\infty )$上单调递增,$F(t) > F(0)=0$,
不满足假设,故$l$不过$(0,0)$.
(3)$k=1$,$f(x)=x+\ln (1+x)$,
$f'(x)=1+\dfrac{1}{1+x}=\dfrac{x+2}{1+x} > 0$,
$S_{\Delta ACO}=\dfrac{1}{2}tf(t)$,设$l$与$y$轴交点$B$为$(0,q)$,
$t > 0$时,若$q < 0$,则此时$l$与$f(x)$必有交点,与切线定义矛盾.
由(2)知$q\ne 0$,
$\therefore q > 0$,则切线$l$的方程为$y-t-\ln (t+1)=(1+\dfrac{1}{1+t})(x-t)$,
令$x=0$,则$y=q=y=\ln (1+t)-\dfrac{t}{t+1}$,
$\because 2S_{\Delta ACO}=15S_{\Delta ABO}$,则$2tf(t)=15t[\ln (1+t)-\dfrac{t}{t+1}]$,
$\therefore$$13\ln (1+t)-2t-15\times \dfrac{t}{1+t}=0$,记$h(t)=13\ln (1+t)-2t-\dfrac{15t}{1+t}(t > 0)$,
$\therefore$满足条件的$A$有几个即$h(t)$有几个零点.
$h\prime (t)=\dfrac{13}{1+t}-2-\dfrac{15}{(t+1)^{2}}=\dfrac{13t+13-2({t}^{2}+2t+1)-15}{(t+1)^{2}}=\dfrac{2{t}^{2}+9t-4}{(t+1)^{2}}=\dfrac{(-2t+1)(t-4)}{(t+1)^{2}}$,
$t\in (0,\dfrac{1}{2})$时,$h\prime (t) < 0$,$h(t)$单调递减;
$t\in (\dfrac{1}{2},4)$时,$h\prime (t) > 0$,$h(t)$单调递增;
$t\in (4,+\infty )$时,$h\prime (t) < 0$,$h(t)$单调递减;
$\because h(0)=0$,$h(\dfrac{1}{2}) < 0$,$h$(4)$=13\ln 5-20 > 13\times 1.6-20=0.8 > 0$,
$h(24)=13\ln 25-48-\dfrac{15\times 24}{25}=26\ln 5-48-\dfrac{72}{5} < 26\times 1.61-48-\dfrac{72}{5}=-20.54 < 0$,
$\therefore$由零点存在性定理及$h(t)$的单调性,$h(t)$在$(\dfrac{1}{2},4)$上必有一个零点,在$(4,24)$上必有一个零点.
综上所述,$h(t)$有两个零点,即满足$2S_{ACO}=15S_{ABO}$的$A$有两个.

点评:本题主要考查利用导数研究函数的单调性,利用导数研究曲线上某点处的切线方程,考查运算求解能力,属于难题.

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