冷启动:把「新定义」翻译成一句人话
记
f(x)=2∣x−1∣,g(x)=x2−2ax+4a−2,F(x)=min{f(x), g(x)}.
题目给的 min 定义看着唬人,其实只说了一件事:F 的图象就是两条曲线里靠下的那条。
两支相等的地方,约定规定「取前一支」,但那只是为了让定义无歧义——
两支的值本来就相同,取哪一支算出来的数一样。这一点在第(Ⅰ)问会直接决定端点的开闭。
三个问的性质完全不同,动手之前先分清:
- 第(Ⅰ)问问的是两支谁大谁小,等价于解不等式 g(x)⩽f(x)。
- 第(Ⅱ)(i) 问的是 F 在全体实数上的最小值。这一问可以绕过分段:
F 处处不超过两支,所以它的最小值就是两支的最小值里较小的那个。
- 第(Ⅱ)(ii) 问的是 F 在 [0,6] 上的最大值。这一问绕不过分段:
必须知道 [0,6] 上 F 到底走哪一支。
还有一个条件千万别当摆设:a⩾3。它至少管三件事——
保证 2<2a、保证 2a⩾6(于是 [2,6] 整段都在同一支上)、
保证 a>2−2 那一侧的讨论不必再开。
解法一:作差因式分解,符号一路定到底
(Ⅰ)第一步:把问题翻译成一个不等式
F(x)=g(x)⟺min{f(x), g(x)}=g(x)⟺g(x)⩽f(x).
是小于等于,不是严格小于。g=f 的那些点上 F 按约定取的是 f,
但 f 与 g 的值相同,等式 F(x)=g(x) 照样成立,所以这些点必须留在解集里。
(Ⅰ)第二步:x⩽1 这一段,差恒正
此时 ∣x−1∣=1−x,
g(x)−f(x)=x2−2ax+4a−2−2(1−x)=x2−2(a−1)x+4(a−1)=x2+2(a−1)(2−x).
由 a⩾3 得 a−1⩾2>0;由 x⩽1 得 2−x⩾1>0。于是
g(x)−f(x)⩾x2+2×2×1>0.
差恒正,说明这一段上 F=f=g(除非 f=g,而这里差严格为正,不会发生)。
x⩽1 全部出局。
(Ⅰ)第三步:x>1 这一段,差能因式分解
此时 ∣x−1∣=x−1,
g(x)−f(x)=x2−2ax+4a−2−2(x−1)=x2−(2a+2)x+4a=(x−2)(x−2a).
两个根是 2 与 2a,由 a⩾3 知 2a⩾6>2。开口向上的二次式在两根之间取负,于是
g(x)−f(x)⩽0⟺2⩽x⩽2a.
这一段本身要求 x>1,而 [2,2a] 整个落在 (1,+∞) 里,取出来还是它自己。
F(x)=x2−2ax+4a−2⟺2⩽x⩽2a
端点检验一下更放心:f(2)=2、g(2)=4−4a+4a−2=2,两支相等;
f(2a)=2(2a−1)=4a−2、g(2a)=4a2−4a2+4a−2=4a−2,也相等。都成立,闭区间。
(Ⅱ)(i) 第一步:先把两支各自的最小值算出来
xminf(x)=f(1)=0,xming(x)=g(a)=−a2+4a−2.
(f(x)=2∣x−1∣⩾0,等号在 x=1 取到;g 开口向上,对称轴 x=a。)
(Ⅱ)(i) 第二步:下界——F 不可能低于这两个数里较小的那个
对任意 x 都有 f(x)⩾0 与 g(x)⩾g(a)。
两个数各自被压住,取小之后还是被压住:
F(x)=min{f(x), g(x)}⩾min{0, g(a)}(对一切 x).
这一刀的方向千万别反。 F⩽f、F⩽g 是显然的,
但它们只给出 F 的上界,对求最小值没有任何用处;
要把最小值从下面顶住,必须搬出两支各自的下界。
(Ⅱ)(i) 第三步:上界——这个下界确实被取到
- 在 x=1 处:g(1)=1−2a+4a−2=2a−1⩾5>0=f(1),故 F(1)=f(1)=0。
- 在 x=a 处:g(a)−f(a)=(−a2+4a−2)−2(a−1)=−a2+2a=−a(a−2)<0(因 a⩾3),
故 F(a)=g(a)=−a2+4a−2。
两个候选都是 F 在某点的真实取值,特别地,其中较小的那个也被 F 取到了。
与第二步的下界一夹,等号成立:
m(a)=min{0, −a2+4a−2}.
(Ⅱ)(i) 第四步:比大小,定分界
−a2+4a−2⩾0⟺a2−4a+2⩽0⟺2−2⩽a⩽2+2.
结合 a⩾3,注意 2+2≈3.414>3,所以两段都非空:
m(a)={0,−a2+4a−2,3⩽a⩽2+2a>2+2
(Ⅱ)(ii) 第一步:[0,2] 上先放缩再验等号
F⩽f,而 f(x)=2∣x−1∣ 在 [0,1] 递减、在 [1,2] 递增,最大值在端点:
F(x)⩽f(x)⩽max{f(0), f(2)}=max{2, 2}=2.
放缩到这里必须回头验等号,否则 2 只是个上界。
F(2)=min{f(2), g(2)}=min{2, 2}=2,取到了。
(Ⅱ)(ii) 第二步:(2,6] 上同样先放缩再验
F⩽g,而 g 开口向上,在闭区间上的最大值只能在端点:
F(x)⩽g(x)⩽max{g(2), g(6)}=max{2, 34−8a}.
(g(6)=36−12a+4a−2=34−8a。)
验等号:F(6)=min{f(6), g(6)}=min{10, 34−8a},
而 34−8a⩽34−24=10(用了 a⩾3),所以 F(6)=34−8a,取到了。
另一个候选 2 在上一步已经由 F(2) 取到。
(Ⅱ)(ii) 第三步:合并两段
M(a)=max{2, 34−8a},34−8a⩾2⟺a⩽4.
M(a)={34−8a,2,3⩽a⩽4a>4
解法二:先把 F 写成显式分段函数,再逐段求最值
这条路多花一步把 F 的解析式写全,换来后面两问全是常规的闭区间求最值,
不必做任何放缩,也就不必回头验等号。
(Ⅰ)第一步:x⩾1 上解交点方程
f(x)=2x−2,令 f=g:
2x−2=x2−2ax+4a−2⟺x2−(2a+2)x+4a=0⟺(x−2)(x−2a)=0.
两个交点 x=2 与 x=2a,由 a⩾3 知它们都在 [1,+∞) 内,且 2<2a。
g−f 是开口向上的二次式,两根之间为负、两根之外为正。所以在 x⩾1 上
g⩽f⟺2⩽x⩽2a.
(Ⅰ)第二步:x<1 上用单调性一句话解决
此时 f(x)=2−2x,记
h(x)=g(x)−f(x)=x2−2ax+4a−2−(2−2x)=x2−(2a−2)x+4a−4.
h 开口向上,对称轴 x=a−1⩾2(用了 a⩾3),
所以 h 在 (−∞, a−1] 上递减,(−∞,1) 整个落在这个递减区间里。于是对一切 x<1,
h(x)>h(1)=1−(2a−2)+4a−4=2a−1⩾5>0.
这一段上 g 严格大于 f,没有交点,也没有解。
合并两段:
F(x)=g(x)⟺2⩽x⩽2a
(端点处 f=g,值相同,等式成立,端点算进去。)
(Ⅰ)第三步:顺手写出 F 的显式分段式
F(x)={2∣x−1∣,x2−2ax+4a−2,x<2 或 x>2a2⩽x⩽2a
后面两问全靠它。
(Ⅱ)(i):两段各求各的最小值
折线那一段 {x<2}∪{x>2a}:这一段包含 x=1,而 2∣x−1∣⩾0,
所以这一段上的最小值是 F(1)=0。
二次那一段 [2,2a]:g 的对称轴 x=a 落在区间内吗?
由 a⩾3 得 a⩾2 且 a⩽2a,落在里面。所以这一段的最小值是
g(a)=a2−2a2+4a−2=−a2+4a−2.
取两者较小:
m(a)=min{0, −a2+4a−2}.
分界由 −a2+4a−2=0 给出,即 a2−4a+2=0,正根 a=2+2(另一根 2−2<3,落在 a⩾3 之外)。
m(a)={0,−a2+4a−2,3⩽a⩽2+2a>2+2
(Ⅱ)(ii) 第一步:先确认 [0,6] 被哪两段切开
a⩾3⇒2a⩾6,所以 [2,6]⊆[2,2a]。于是在 [0,6] 上
F(x)={2∣x−1∣,x2−2ax+4a−2,0⩽x<22⩽x⩽6
这一步是本解法的命门:2a⩾6 不成立的话,[0,6] 里就还要塞进第三段,
用错解析式必然算错。a⩾3 正是为此而给。
(Ⅱ)(ii) 第二步:两段各求各的最大值
[0,2] 上(把 x=2 也算进来,两支在此相等,值都是 2):
2∣x−1∣ 在 [0,1] 递减、[1,2] 递增,最大值在端点,
[0,2]maxF=max{2×1, 2×1}=2.
[2,6] 上:F=g,开口向上,最大值只能在端点,
[2,6]maxF=max{g(2), g(6)}=max{2, 34−8a}.
(若 a⩾6,g 在 [2,6] 上整段递减,最大值就是 g(2)=2;
此时 34−8a⩽−14<2,上式仍然给出 2,不必单列。)
(Ⅱ)(ii) 第三步:合并
两段的最大值分别是 2 与 max{2, 34−8a},取大者仍是 max{2, 34−8a}:
M(a)=max{2, 34−8a},34−8a⩾2⟺a⩽4.
M(a)={34−8a,2,3⩽a⩽4a>4
![上下两块教学图。①上块是一个直角坐标系,横轴刻度 0 到 7,纵轴刻度 0 到 12。图上有两条灰色虚线:一条是折线 f(x)=2|x-1|,在 x=1 处触底为零后向两侧上升,右上角灰字标注「f(x)=2|x-1|」;另一条是开口向上的二次曲线 g(x)=x^{2}-2ax+4a-2,在 a 取下界 3 时顶点在 (3,1),图中部灰字标注「g(x)=x^{2}-2ax+4a-2」。一条深蓝色粗实线是两者逐点取小的结果 F:从左侧沿折线下降,在 (1,0) 触底,升到 (2,2) 后改走二次那一支,下凹到 (3,1) 再上升,到 (6,10) 后又改回折线继续上升。区间 [2,6] 下方有淡蓝色填充,表示这一段 F 走二次那一支。x=0 与 x=6 处各有一条蓝色点线,标出求最大值的窗口。图上标出三个黑点并配绿字:(1,0) 下方写「F(1)=0」,(2,2) 左上方写「x=2:两支相等」,(6,10) 左上方写「x=2a=6:两支又相等」。左上角蓝字两行写「[0,6] 上的最大值」「M(a)=34-8a=10」。这一块的标题写「① a 取下界 3 时的 F:粗线是逐点取小的结果,淡色区间 [2, 6] 上走二次那一支,两侧走折线」。②下块是一段文字,分三问:抬头「第(Ⅰ)问:两支相减,符号一眼看穿」,蓝字一行「x\leq 1 时 g-f=x^{2}+2(a-1)(2-x)>0,取小永远取到折线那一支」,蓝字一行「x>1 时 g-f=(x-2)(x-2a),而 a\geq 3 保证 2<2a」,绿字一行「g\leq f\Leftrightarrow 2\leq x\leq 2a,端点处两支相等也算成立」;抬头「第(Ⅱ)(i):两支各自的最小值,取小的那个」,灰字一行「f_{\min}=f(1)=0,g_{\min}=g(a)=-a^{2}+4a-2」,蓝字一行「-a^{2}+4a-2=0 的正根是 2+\sqrt{2},它把 a 分成两段」,绿字一行「m(a)=0\ (3\leq a\leq 2+\sqrt{2});-a^{2}+4a-2\ (a>2+\sqrt{2})」;抬头「第(Ⅱ)(ii):[0,6] 拆成两段,各自放缩」,灰字一行「[0,2] 上 F\leq f\leq\max\{f(0),f(2)\}=2=F(2)」,灰字一行「(2,6] 上 F\leq g\leq\max\{g(2),g(6)\}=\max\{2,\ 34-8a\}」,末行绿字「M(a)=34-8a\ (3\leq a\leq 4);2\ (a>4)」](/_astro/q18-figure.ttJs6LPS_ZPF1eV.webp)
两条路怎么选
| 解法一 | 解法二 |
|---|
| 第(Ⅰ)问 | 作差配方,x⩽1 一段直接看出恒正 | 解交点方程,x<1 一段用对称轴位置说话 |
| 要不要写出 F 的解析式 | 不必 | 必须,是后两问的地基 |
| (Ⅱ)(i) | 两头一夹,绕过分段 | 两段各求最小再取小 |
| (Ⅱ)(ii) | 放缩到端点,再回头验等号 | 直接在两段上求最大,无需验 |
| 主要风险 | 放缩完不验等号,答案只是上界 | 忘了 2a⩾6,[0,6] 上用错解析式 |
真正的分水岭是第(Ⅱ)(ii) 要不要放缩。
解法一的写法短,但 F⩽f⩽2 只是个上界,
不补一句 F(2)=2,这一问最多给一半分;
解法二把 F 的分段式老老实实写出来,后面就是最普通的二次函数在闭区间上的最值,
不会出现「上界够不着」的问题,代价是第(Ⅰ)问结束后要多写两行。
至于第(Ⅱ)(i),两条路的差别只是包装:F 的全局最小值等于两支最小值中较小的那个,
这条捷径对任何 min 型函数都成立,值得单独记住。