第三讲 类与对象
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第三讲 分类讨论思想思想方法解读考点由概念、法则、公式引起的分类讨论典例1 (1)2015·福建高考]若函数f(x)=⎩⎪⎨⎪⎧-x +6,x ≤2,3+log a x ,x>2(a>0,且a ≠1)的值域是4,+∞),则实数a 的取值范围是________.解析]因为f(x)=⎩⎨⎧-x +6,x ≤2,3+log a x ,x>2,所以当x ≤2时,f(x)≥4;又函数f(x)的值域为4,+∞),所以⎩⎨⎧a>1,3+log a 2≥4.解得1<a ≤2,所以实数a 的取值范围为(1,2].答案] (1,2](2)已知各项均为正数的数列{a n },其前n 项和为S n ,且S n =(S n -1+a 1)2(n ≥2),若b n =a n +1a n+a na n +1,且数列{b n }的前n 项和为T n ,则T n =________.解析] 由题意可得,S n >0,因为S n =(S n -1+a 1)2(n ≥2),所以S n =S n -1+a 1,即数列{S n }是以S 1=a 1为首项,以a 1为公差的等差数列,所以S n =n a 1,所以S n =n 2a 1,所以当n ≥2时,a n =S n -S n -1=n 2a 1-(n -1)2a 1=(2n -1)a 1,当n =1时,适合上式,所以b n =a n +1a n +a n a n +1=2n +12n -1+2n -12n +1=1+22n -1+1-22n +1=2+2⎝ ⎛⎭⎪⎪⎫12n -1-12n +1, 所以T n =2n +2⎝ ⎛⎭⎪⎪⎫1-13+13-15+…+12n -1-12n +1=2n +2⎝ ⎛⎭⎪⎪⎫1-12n +1=2n +4n 2n +1=4n 2+6n 2n +1. 答案] 4n 2+6n2n +1四步解决由概念、法则、公式引起的分类讨论问题 第一步:确定需分类的目标与对象.即确定需要分类的目标,一般把需要用到公式、定理解决问题的对象作为分类目标.第二步:根据公式、定理确定分类标准.运用公式、定理对分类对象进行区分.第三步:分类解决“分目标”问题.对分类出来的“分目标”分别进行处理.第四步:汇总“分目标”.将“分目标”问题进行汇总,并作进一步处理.【针对训练1】 在公差为d 的等差数列{a n }中,已知a 1=10,且a 1,2a 2+2,5a 3成等比数列.(1)求d ,a n ;(2)若d<0,求|a 1|+|a 2|+|a 3|+…+|a n |. 解 (1)由题意得5a 3·a 1=(2a 2+2)2, 即5(a 1+2d)·a 1=(2a 1+2d +2)2 d 2-3d -4=0,解得d =-1或d =4, 所以a n =-n +11或a n =4n +6. (2)设数列{a n }前n 项和为S n ,因为d<0,所以d =-1,a n =-n +11,则 由a n ≥0,即-n +11≥0得n ≤11. 所以当n ≤11时,a n ≥0,n ≥12时,a n <0.所以n ≤11时,|a 1|+|a 2|+|a 3|+…+|a n |=S n =-12n 2+212n ; n ≥12时,|a 1|+|a 2|+…+|a 11|+|a 12|+…+|a n |=a 1+a 2+…+a 11-a 12-…-a n =S 11-(S n -S 11)=-S n +2S 11=12n 2-212n +110.综上所述,|a 1|+|a 2|+…+|a n | =⎩⎪⎨⎪⎧-12n 2+212n ,n ≤11,12n 2-212n +110,n ≥12.考点由参数变化引起的分类讨论典例2 2015·江苏高考]已知函数f (x )=x 3+ax 2+b (a ,b ∈R ). (1)试讨论f (x )的单调性;(2)若b =c -a (实数c 是与a 无关的常数),当函数f (x )有三个不同的零点时,a 的取值范围恰好是(-∞,-3)∪⎝ ⎛⎭⎪⎫1,32∪⎝ ⎛⎭⎪⎫32,+∞,求c 的值.解] (1)f ′(x )=3x 2+2ax ,令f ′(x )=0,解得x 1=0,x 2=-2a3. 当a =0时,因为f ′(x )=3x 2>0(x ≠0),所以函数f (x )在(-∞,+∞)上单调递增;当a >0时,x ∈⎝ ⎛⎭⎪⎫-∞,-2a 3∪(0,+∞)时,f ′(x )>0,x ∈⎝ ⎛⎭⎪⎫-2a 3,0时,f ′(x )<0,所以函数f (x )在⎝ ⎛⎭⎪⎫-∞,-2a 3,(0,+∞)上单调递增,在⎝ ⎛⎭⎪⎫-2a 3,0上单调递减;当a <0时,x ∈(-∞,0)∪⎝ ⎛⎭⎪⎫-2a 3,+∞时,f ′(x )>0,x ∈⎝ ⎛⎭⎪⎫0,-2a 3时,f ′(x )<0,所以函数f (x )在(-∞,0),⎝ ⎛⎭⎪⎫-2a 3,+∞上单调递增,在⎝ ⎛⎭⎪⎫0,-2a 3上单调递减.(2)由(1)知,函数f (x )的两个极值为f (0)=b ,f ⎝⎛⎭⎪⎫-2a 3=427a 3+b ,则函数f (x )有三个零点等价于f (0)·f ⎝ ⎛⎭⎪⎫-2a 3=b ⎝ ⎛⎭⎪⎫427a 3+b <0, 从而⎩⎪⎨⎪⎧a >0,-427a 3<b <0或⎩⎪⎨⎪⎧a <0,0<b <-427a 3.又b =c -a ,所以⎩⎪⎨⎪⎧a >0,427a 3-a +c >0或⎩⎪⎨⎪⎧a <0,427a 3-a +c <0.设g (a )=427a 3-a +c ,因为函数f (x )有三个零点时,a 的取值范围恰好是(-∞,-3)∪⎝ ⎛⎭⎪⎫1,32∪⎝ ⎛⎭⎪⎫32,+∞,则在(-∞,-3)上g (a )<0,且在⎝ ⎛⎭⎪⎫1,32∪⎝ ⎛⎭⎪⎫32,+∞上g (a )>0均恒成立,从而g (-3)=c -1≤0,且g ⎝ ⎛⎭⎪⎫32=c -1≥0,因此c =1.此时,f (x )=x 3+ax 2+1-a =(x +1)x 2+(a -1)x +1-a ], 因函数有三个零点,则x 2+(a -1)x +1-a =0有两个异于-1的不等实根,所以Δ=(a -1)2-4(1-a )=a 2+2a -3>0,且(-1)2-(a -1)+1-a ≠0,解得a ∈(-∞,-3)∪⎝ ⎛⎭⎪⎫1,32∪⎝ ⎛⎭⎪⎫32,+∞. 综上c =1.1.变量或参数变化时常见的分类讨论(1)解含参数的不等式时,常按参数的取值不同分类讨论. (2)平面解析几何中,直线点斜式中按斜率k 存在和不存在,直线截距式中按截距b =0和b ≠0分类讨论.2.利用分类讨论思想的注意点(1)分类讨论要标准统一,层次分明,分类要做到“不重不漏”. (2)分类讨论时要根据题设条件确定讨论的级别,再确定每级讨论的对象与标准,每级讨论中所分类别应做到与前面所述不重不漏,最后将讨论结果归类合并,其中级别与级别之间有严格的先后顺序、类别和类别之间没有先后;最后整合时要注意是取交集、并集,还是既不取交集也不取并集只是分条列出.【针对训练2】 2016·四川高考]设函数f (x )=ax 2-a -ln x ,其中a ∈R .(1)讨论f (x )的单调性;(2)确定a 的所有可能取值,使得f (x )>1x -e 1-x 在区间(1,+∞)内恒成立(e =2.718…为自然对数的底数).解 (1)f ′(x )=2ax -1x =2ax 2-1x (x >0).当a ≤0时,f ′(x )<0,f (x )在(0,+∞)内单调递减. 当a >0时,由f ′(x )=0,有x =12a. 此时,当x ∈⎝⎛⎭⎪⎫0,12a 时,f ′(x )<0,f (x )单调递减; 当x ∈⎝ ⎛⎭⎪⎫12a ,+∞时,f ′(x )>0,f (x )单调递增. (2)令g (x )=1x -1e x -1,s (x )=e x -1-x .则s ′(x )=e x -1-1. 而当x >1时,s ′(x )>0,所以s (x )在区间(1,+∞)内单调递增. 又由s (1)=0,有s (x )>0, 从而当x >1时,g (x )>0.当a ≤0,x >1时,f (x )=a (x 2-1)-ln x <0.故当f (x )>g (x )在区间(1,+∞)内恒成立时,必有a >0. 当0<a <12时,12a>1.由(1)有f ⎝ ⎛⎭⎪⎫12a <f (1)=0,而g ⎝ ⎛⎭⎪⎫12a >0, 所以此时f (x )>g (x )在区间(1,+∞)内不恒成立. 当a ≥12时,令h (x )=f (x )-g (x )(x ≥1).当x >1时,h ′(x )=2ax -1x +1x 2-e 1-x>x -1x +1x 2-1x =x 3-2x +1x 2>x 2-2x +1x 2>0. 因此,h (x )在区间(1,+∞)内单调递增.又h (1)=0,所以当x >1时,h (x )=f (x )-g (x )>0,即f (x )>g (x )恒成立.综上,a ∈⎣⎢⎡⎭⎪⎫12,+∞. 考点 根据图形位置或形状分类讨论典例3 2015·广东高考]已知过原点的动直线l 与圆C 1:x 2+y 2-6x +5=0相交于不同的两点A ,B .(1)求圆C 1的圆心坐标;(2)求线段AB 的中点M 的轨迹C 的方程;(3)是否存在实数k ,使得直线L :y =k (x -4)与曲线C 只有一个交点?若存在,求出k 的取值范围;若不存在,说明理由.解] (1)圆C 1的标准方程为(x -3)2+y 2=4,圆心坐标为C 1(3,0). (2)由垂径定理知,C 1M ⊥AB ,故点M 在以OC 1为直径的圆上,即⎝⎛⎭⎪⎫x-322+y2=94.故线段AB的中点M的轨迹C的方程是⎝⎛⎭⎪⎫x-322+y2=94在圆C1:(x-3)2+y2=4内部的部分,设AB方程为y=k1x,当AB与圆C1相切时⎩⎨⎧y=k1xx2+y2-6x+5=0⇒(k21+1)x2-6x+5=0,由Δ=36-4×5×(k21+1)=0得k1=±255,代入方程组得x=53,因此x∈⎝⎛⎦⎥⎤53,3.即⎝⎛⎭⎪⎫x-322+y2=94⎝⎛⎭⎪⎫53<x≤3.(3)联立⎩⎪⎨⎪⎧x=53,⎝⎛⎭⎪⎫x-322+y2=94,解得⎩⎨⎧x=53,y=±253.不妨设其交点为P1⎝⎛⎭⎪⎫53,253,P2⎝⎛⎭⎪⎫53,-253,设直线L:y=k(x-4)所过定点为P(4,0),则kPP1=-257,kPP2=257.当直线L 与圆C 相切时,⎪⎪⎪⎪⎪⎪32k -4k k 2+1=32,解得k =±34.故当k ∈⎩⎨⎧⎭⎬⎫-34,34∪⎝⎛⎭⎪⎫-257,257时,直线L 与曲线C 只有一个交点.六类常见的由图形的位置或形状变化引起的分类讨论 (1)二次函数对称轴的变化;(2)函数问题中区间的变化;(3)函数图象形状的变化;(4)直线由斜率引起的位置变化;(5)圆锥曲线由焦点引起的位置变化或由离心率引起的形状变化;(6)立体几何中点、线、面的位置变化等.【针对训练3】 (1)设圆锥曲线C 的两个焦点分别为F 1,F 2,若曲线C 上存在点P 满足|PF 1|∶|F 1F 2|∶|PF 2|=4∶3∶2,则曲线C 的离心率等于( )A.12或32 B.23或2 C.12或2 D.23或32答案 A解析 不妨设|PF 1|=4t ,|F 1F 2|=3t ,|PF 2|=2t ,其中t ≠0,若该曲线为椭圆,则有|PF 1|+|PF 2|=6t =2a ,|F 1F 2|=3t =2c ,e =c a =2c 2a =3t6t =12.若该曲线为双曲线,则有|PF 1|-|PF 2|=2t =2a , |F 1F 2|=3t =2c ,e =c a =2c 2a =3t 2t =32.(2)已知变量x ,y 满足的不等式组⎩⎪⎨⎪⎧x ≥0,y ≥2x ,kx -y +1≥0表示的是一个直角三角形围成的平面区域,则实数k =( )A .-12 B.12 C .0 D .-12或0答案 D解析不等式组⎩⎪⎨⎪⎧x ≥0,y ≥2x ,kx -y +1≥0表示的可行域如图(阴影部分)所示,由图可知,若要使不等式组⎩⎪⎨⎪⎧x ≥0,y ≥2x ,kx -y +1≥0表示的平面区域是直角三角形,只有当直线y =kx +1与直线x =0或y =2x 垂直时才满足.结合图形可知斜率k 的值为0或-12.。