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2024年高考数学上海21

  2024-08-28 23:10:48  

(18分)对于一个函数$f(x)$和一个点$M(a,b)$,定义$s(x)=(x-a)^{2}+(f(x)-b)^{2}$,若存在$P(x_{0}$,$f(x_{0}))$,使$s(x_{0})$是$s(x)$的最小值,则称点$P$是函数$f(x)$到点$M$的“最近点”.
(1)对于$f(x)=\dfrac{1}{x}(x > 0)$,求证:对于点$M(0,0)$,存在点$P$,使得点$P$是$f(x)$到点$M$的“最近点”;
(2)对于$f(x)=e^{x}$,$M(1,0)$,请判断是否存在一个点$P$,它是$f(x)$到点$M$的“最近点”,且直线$MP$与$f(x)$在点$P$处的切线垂直;
(3)已知$f(x)$存在导函数$f\prime (x)$,函数$g(x)$恒大于零,对于点$M_{1}(t-1$,$f(t)-g(t))$,点$M_{2}(t+1$,$f(t)+g(t))$,若对任意$t\in R$,存在点$P$同时是$f(x)$到点$M_{1}$与点$M_{2}$的“最近点”,试判断$f(x)$的单调性.

答案:(1)证明过程见解析;
(2)存在,$P(0,1)$;
(3)$f(x)$严格单调递减.
分析:(1)代入$M(0,0)$,利用基本不等式即可;
(2)由题得$s(x)=(x-1)^{2}+e^{2x}$,利用导函数得到其最小值,则得到$P$,再证明直线$MP$与切线垂直即可;
(3)根据题意得到$s_{1}'(x_{0})=s_{2}'(x_{0})=0$,对两等式化简得$f'{(x_0)}=-\dfrac{1}{g(t)}$,再利用“最近点”的定义得到不等式组,即可证明$x_{0}=t$,最后得到函数单调性.
解:(1)当$M(0,0)$时,$s(x)=(x-0)^{2}+(\dfrac{1}{x}-0)^{2}=x^{2}+\dfrac{1}{x^{2}}\geqslant 2\sqrt{x^{2}\cdot \dfrac{1}{x^{2}}}=2$,
当且仅当$x^2=\dfrac{1}{x^2}$即$x=1$时取等号,
故对于点$M(0,0)$,存在点$P(1,1)$,
使得该点是$M(0,0)$在$f(x)$的“最近点”;
(2)由题设可得$s(x)=(x-1)^{2}+(e^{x}-0)^{2}=(x-1)^{2}+e^{2x}$,
则$s'(x)=2(x-1)+2e^{2x}$,因为$y=2(x-1)$,$y=2e^{2x}$均为$R$上单调递增函数,
则$s'(x)=2(x-1)+2e^{2x}$在$R$上为严格增函数,
而$s'(0)=0$,故当$x < 0$时,$s'(x) < 0$,当$x > 0$时,$s'(x) > 0$,
故$s(x)_{min}=s(0)=2$,此时$P(0,1)$,
而$f'(x)=e^{x}$,$k=f'(0)=1$,故$f(x)$在点$P$处的切线方程为$y=x+1$,
而$k_{MP}=\dfrac{0-1}{1-0}=-1$,故$k_{MP}\cdot k=-1$,故直线$MP$与$y=f(x)$在点$P$处的切线垂直.
(3)设$s_1(x)=(x-t+1)^2+(f(x)-f(t)+g(t))^2$,
$s_2(x)=(x-t-1)^2+(f(x)-f(t)-g(t))^2$,
而$s_{1}'(x)=2(x-t+1)+2(f(x)-f(t)+g(t))f'(x)$,
$s_{2}'(x)=2(x-t-1)+2(f(x)-f(t)-g(t))f'(x)$,
若对任意的$t\in R$,存在点$P$同时是$M_{1}$,$M_{2}$在$f(x)$的“最近点”,
设$P(x_{0}$,$y_{0})$,则$x_{0}$既是$s_{1}(x)$的最小值点,也是$s_{2}(x)$的最小值点,
因为两函数的定义域均为$R$,则$x_{0}$也是两函数的极小值点,
则存在$x_{0}$,使得$s_{1}'(x_{0})=s_{2}'(x_{0})=0$,
即$s_{1}'(x_{0})=2(x_{0}-t+1)+2f\prime (x_{0})[f(x_{0})-f(t)+g(t)]=0$,①
$s_{2}'(x_{0})=2(x_{0}-t-1)+2f\prime (x_{0})[f(x_{0})-f(t)-g(t)]=0$,②
由①②相等得$4+4g(t)\cdot f'(x_{0})=0$,即$1+f'(x_{0})g(t)=0$,
即$f'{(x_0)}=-\dfrac{1}{g(t)}$,又因为函数$g(x)$在定义域$R$上恒正,
则$f'{(x_0)}=-\dfrac{1}{g(t)} < 0$恒成立,
接下来证明$x_{0}=t$,
因为$x_{0}$既是$s_{1}(x)$的最小值点,也是$s_{2}(x)$的最小值点,
则$s_{1}(x_{0})\leqslant s(t)$,$s_{2}(x_{0})\leqslant s(t)$,
即$(x_0-t+1)^2+(f(x_0)-f(t)+g(t))^2\leqslant 1+(g(t))^2$,③
$(x_0-t-1)^2+(f(x_0)-f(t)-g(t))^2\leqslant 1+(g(t))^2$,④
③$+$④得$2(x_0-t)^2+2+2[f(x_0)-f(t)]^2+2g^2(t)\leqslant 2+2g^2(t)$,
即$(x_0-t)^2+(f(x_0)-f(t))^2\leqslant 0$,因为$(x_0-t)^2\geqslant 0,(f(x_0)-f(t))^2\geqslant 0$
则$\left\{\begin{array}{l}{{x}_{0}-t=0}\\ {f({x}_{0})-f(t)=0}\end{array}\right.$,解得$x_{0}=t$,
则$f'(t)=-\dfrac{1}{g(t)} < 0$恒成立,因为$t$的任意性,则$f(x)$严格单调递减.
点评:本题考查基本不等式,极值、最值的求解,导数的应用等,属于难题.

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