浙江 2022 · 数学 q14

题解图(原卷截图 · 含答案与官方解析)

浙江 2022 · 数学 q14 原卷截图(含答案)

文字转写(题面 + 答案)

题面

  1. 已知函数 f(x)={−x2+2,x≤1,x+1x−1,x>1,f(x) = \begin{cases} -x^2 + 2, & x \leq 1, \\ x + \frac{1}{x} - 1, & x > 1, \end{cases} 则 f(f(12))=f\left(f\left(\frac{1}{2}\right)\right) = ____;若当 x∈[a,b]x \in[a, b] 时,1≤f(x)≤31 \leq f(x) \leq 3,则 b−ab - a 的最大值是 ____。

答案

①. 3728\frac{37}{28} ②. 3+3##3+33 + \sqrt{3} \#\# \sqrt{3} + 3

本题的知识树

6 概念 · 1 题型 · 2 套路 · 1 易错点 · 最深 3 层。长链是构建期派生的,源文件里只有最小一步。

攻略(零基础 → 会做)

分段函数嵌套求值与解集长度 · 每次代入前先判段,解完再取并 · 最终答案:①. 3728\frac{37}{28} ②. 3+3##3+33 + \sqrt{3} \#\# \sqrt{3} + 3

冷启动:先把这个函数看清楚

f(x)={−x2+2,x≤1x+1x−1,x>1f(x)=\begin{cases} -x^2+2, & x\le 1\\[2pt] x+\dfrac1x-1, & x>1 \end{cases}

① 两段各是什么形状。

  • 左段(x≤1x\le1):−x2+2-x^2+2 是一条开口向下的抛物线,顶点 (0,2)(0,2)。在 x≤1x\le1 上它从 −∞-\infty 一路升到 x=0x=0 处的最大值 22,再降到 f(1)=−1+2=1f(1)=-1+2=1。
  • 右段(x>1x>1):x+1x−1x+\dfrac1x-1。求导 1−1x2>01-\dfrac1{x^2}>0(x>1x>1),所以它在 (1,+∞)(1,+\infty) 上单调递增;x→1+x\to1^+ 时趋于 1+1−1=11+1-1=1,x→+∞x\to+\infty 时趋于 +∞+\infty。

② 两段在 x=1x=1 处接得上。 左段给 f(1)=1f(1)=1,右段的极限也是 11——图象是连着的,不跳。(这一点第二空要用:解集能不能连成一整段,全看这里。)

③ 分界点归哪一段,题面说了算。 题面写的是 x≤1x\le1 用左段、x>1x>1 用右段。x=1x=1 属于左段,代入时别用错。

④ 两个空各问什么。

  • 第一空 f(f(12))f\left(f\left(\dfrac12\right)\right):嵌套求值,要判两次段;
  • 第二空:找出所有满足 1≤f(x)≤31\le f(x)\le3 的 xx,再问其中最长的一段有多长。

第一空:f(f(12))f\left(f\left(\frac12\right)\right)——由内往外,判两次段

① 内层:12\dfrac12 落在哪一段? 12≤1\dfrac12\le1,用左段:

f(12)=−(12)2+2=−14+2=74f\left(\frac12\right)=-\left(\frac12\right)^2+2=-\frac14+2=\frac74

② 外层:74\dfrac74 又落在哪一段? 74=1.75>1\dfrac74=1.75>1,用右段——注意换段了:

f(74)=74+1 74 −1=74+47−1f\left(\frac74\right)=\frac74+\frac1{\ \frac74\ }-1=\frac74+\frac47-1

③ 通分算清楚。 分母取 2828:

74=4928,47=1628,1=2828\frac74=\frac{49}{28},\qquad \frac47=\frac{16}{28},\qquad 1=\frac{28}{28} f(74)=49+16−2828=3728f\left(\frac74\right)=\frac{49+16-28}{28}=\frac{37}{28} f(f(12))=3728\boxed{f\left(f\left(\frac12\right)\right)=\frac{37}{28}}

这一空唯一的坑就是第 ② 步:内层算出 74\dfrac74 之后,很容易顺手接着用左段算成 −(74)2+2=−1716-\left(\dfrac74\right)^2+2=-\dfrac{17}{16}。每次代入前先问一句「它与 11 谁大」。

解法一:逐段解不等式,各与该段定义域取交后取并

怎么想到的。 第二空要的是「满足 1≤f(x)≤31\le f(x)\le3 的所有 xx」。ff 是分段的,那就分段解:在每一段里用那一段的式子解不等式,解完与该段的定义域取交,最后并起来。

① 左段(x≤1x\le1):解 1≤−x2+2≤31\le -x^2+2\le3。

三部分同时减 22:

−1≤−x2≤1-1\le -x^2\le 1

同乘 −1-1(不等号翻向):

−1≤x2≤1-1\le x^2\le 1

左边 −1≤x2-1\le x^2 恒成立(平方非负),所以只剩 x2≤1x^2\le1,即 −1≤x≤1-1\le x\le1。

与该段定义域 x≤1x\le1 取交:[−1,1]∩(−∞,1]=[−1,1][-1,1]\cap(-\infty,1]=[-1,1]。

② 右段(x>1x>1):解 1≤x+1x−1≤31\le x+\dfrac1x-1\le3。

三部分同时加 11:

2≤x+1x≤42\le x+\frac1x\le 4

左半边自动成立:由冷启动第 ① 步,x+1xx+\dfrac1x 在 (1,+∞)(1,+\infty) 上递增,x→1+x\to1^+ 时趋于 22,所以 x>1x>1 时恒有 x+1x>2x+\dfrac1x>2 ✓。

右半边:x+1x≤4x+\dfrac1x\le4。x>0x>0,两边乘 xx(正数,不翻号):

x2+1≤4x⟹x2−4x+1≤0x^2+1\le 4x\quad\Longrightarrow\quad x^2-4x+1\le0

解这个二次不等式:判别式 Δ=16−4=12\Delta=16-4=12,根为 x=4±232=2±3x=\dfrac{4\pm2\sqrt3}{2}=2\pm\sqrt3。开口向上,故

2−3≤x≤2+32-\sqrt3\le x\le 2+\sqrt3

与该段定义域 x>1x>1 取交:2−3≈0.27<12-\sqrt3\approx0.27<1,所以交出来是 (1, 2+3]\left(1,\ 2+\sqrt3\right]。

③ 取并。

S=[−1,1] ∪ (1, 2+3]=[−1, 2+3]S=[-1,1]\ \cup\ \left(1,\ 2+\sqrt3\right]=\left[-1,\ 2+\sqrt3\right]

两段恰好在 x=1x=1 处接上了(左边含 11、右边从 11 之后紧接着开始),所以并出来是一整段,中间没有缺口。

④ 读答案。 题目要 [a,b][a,b] 上处处满足 1≤f(x)≤31\le f(x)\le3,即 [a,b]⊆S[a,b]\subseteq S。SS 是一整段,所以最长能取到 SS 自己:

(b−a)max⁡=(2+3)−(−1)=3+3(b-a)_{\max}=\left(2+\sqrt3\right)-(-1)=\boxed{3+\sqrt3}

教学图:f 的完整图象——左段是开口向下的抛物线 −x²+2(顶点 (0,2),画到 x=1 处的 (1,1)),右段是 x+1/x−1 在 x>1 上的递增曲线(从 (1,1) 起一路上升);两条水平虚线 y=1 与 y=3 横贯全图,被夹在两线之间的那一段图象用绿色加粗。两侧掉出 [1,3] 的部分(x < −1 与 x > 2+√3)仍是细蓝线,与绿色的对比就是解集的边界。图下方用绿色粗线段标出解集 [−1, 2+√3],两个端点 (−1,1) 与 (2+√3, 3) 画成实心点、标出坐标并用虚线垂到线段上;线段下标注「长度 = 2+√3 − (−1) = 3+√3 ≈ 4.732」,图例在左上角区分两段

解法二:画出图象,看它被夹在两条水平线之间的那一段

怎么想到的。 「1≤f(x)≤31\le f(x)\le3」翻成图上的话就是:函数图象落在 y=1y=1 与 y=3y=3 这两条水平线之间(含边界)。把 ff 画出来、两条线一横,被夹住的那一段的横坐标范围一眼就读得出来——而且解集是不是连成一整段,图上是看得见的,不必像解法一那样在分界点上推敲端点。

① 画左段:抛物线 −x2+2-x^2+2(只画 x≤1x\le1 的部分)。

顶点 (0,2)(0,2),开口向下。它与 y=1y=1 的交点:−x2+2=1⇒x=±1-x^2+2=1\Rightarrow x=\pm1;与 y=3y=3 呢?−x2+2=3⇒x2=−1-x^2+2=3\Rightarrow x^2=-1,无交点——因为这一段的最大值只有 22,根本够不着 y=3y=3。

所以左段被夹住的范围由 y=1y=1 单独决定:抛物线在 [−1,1][-1,1] 上不低于 11(顶点处到 22),在 x<−1x<-1 处低于 11、掉出去了。左段贡献 [−1,1][-1,1]。

② 画右段:x+1x−1x+\dfrac1x-1(只画 x>1x>1 的部分)。

它从 (1,1)(1,1) 附近起步、一路递增到 +∞+\infty。既然是单调的,它穿过 y=3y=3 恰好一次——那个交点就是右端界:

x+1x−1=3⟹x2−4x+1=0⟹x=2±3x+\frac1x-1=3\quad\Longrightarrow\quad x^2-4x+1=0\quad\Longrightarrow\quad x=2\pm\sqrt3

取 x>1x>1 的那个根:x=2+3x=2+\sqrt3。而下界 y=1y=1 它一起步就在上面(起点高度正是 11),不构成额外限制。

右段贡献 (1, 2+3]\left(1,\ 2+\sqrt3\right]。

③ 从图上读整体。 两段在 (1,1)(1,1) 处接上(左段的终点与右段的起点是同一个高度 11),所以绿色那一段是连通的,横坐标从 −1-1 一直到 2+32+\sqrt3,中间不断。于是

S=[−1, 2+3],(b−a)max⁡=3+3S=\left[-1,\ 2+\sqrt3\right],\qquad (b-a)_{\max}=3+\sqrt3

④ 图还顺手说清了两件解法一要靠推的事。

  • 为什么 y=3y=3 对左段没约束:那一段最高才 22,画出来就在 y=3y=3 下面,一眼可见;解法一里这一步是「−1≤x2-1\le x^2 恒成立」,得想一下。
  • 为什么解集不断开:两段在 x=1x=1 处高度都是 11,图上是连着的;解法一里这一步要比对 [−1,1][-1,1] 与 (1,2+3](1,2+\sqrt3] 的端点。

这两条路差在哪

  • 解法一是解不等式:两段各解一次、各取一次交,最后取并。它不需要画图,每一步都可以逐字复核;代价是「y=3y=3 对左段没约束」「解集接不接得上」这两件事要靠代数推敲。
  • 解法二是读图:把 ff 的图象与两条水平线画出来,被夹住的那一段的横坐标就是答案。它造出了解法一里根本不存在的东西——函数的图象,而且把「够不着 y=3y=3」「在 x=1x=1 处接上」变成看得见的事实。

第一个实质动作就分岔了(逐段解不等式 vs 画图),中间对象也不同。所以是两条路。

考场上怎么选:先画草图定方向,再用解法一算准端点。图给的是「有几段、断不断、哪条线起作用」,而 2+32+\sqrt3 这种精确值还得靠解方程——图给方向、算给数。

🕳️ 避坑

  • 每次代入前先判段。 第一空的内层用左段、外层用右段。内层算出 74\dfrac74 就顺手接着用左段,是这道题最标准的丢分法。
  • x=1x=1 归左段。 题面写的是 x≤1x\le1,所以 f(1)=1f(1)=1 由左段给出。改成右段虽然数值恰好也是 11(两段在这里接得上),但那是巧合,别养成习惯。
  • 解完要与该段定义域取交。 右段解出 2−3≤x≤2+32-\sqrt3\le x\le2+\sqrt3,而这一段只管 x>1x>1,交出来是 (1,2+3]\left(1,2+\sqrt3\right]。不取交就会把 [2−3,1][2-\sqrt3,1] 这一截重复算进去(它已经由左段管了),端点也会写错。
  • 同乘负数要翻不等号。 左段那一步 −1≤−x2≤1-1\le-x^2\le1 乘 −1-1 之后是 −1≤x2≤1-1\le x^2\le1,三部分的顺序整个反过来——写成 1≤x2≤−11\le x^2\le-1 就无解了。
  • 取并之后确认是不是一整段。 本题两段在 x=1x=1 处接上,所以 b−ab-a 能取到全长。若断开,答案是最长的那一段,不是两端之差——这是这类题最容易多算的地方。
  • 本题特有的一处:1≤f(x)≤31\le f(x)\le3 里的下界 11 在两段上都不起作用(左段靠它定出 x≥−1x\ge-1、右段自动满足),真正卡住右端的是上界 33,而它只对右段起作用。四个界里只有两个是紧的——先判断哪几个界真的起作用,能省掉一半计算。

本题涉及的教材页

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