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2024年高考数学天津15

  2024-08-28 22:50:00  

(5分)若函数$f(x)=2\sqrt{x^2-ax}-\vert ax-2\vert +1$有唯一零点,则$a$的取值范围为____.
答案:$(-\sqrt{3},-1)\bigcup (1,\sqrt{3})$.
分析:根据函数的零点与两个函数图象的公共点的关系,构造函数$g(x)=2\sqrt{x^2-ax}$与$h(x)=\left\{\begin{array}{l}{ax-3,x\geqslant \dfrac{2}{a}}\\ {1-ax,x < \dfrac{2}{a}}\end{array}\right.$,可知$g(x)$与$h(x)$的图象有唯一公共点,分$a=0$、$a > 0$与$a < 0$三种情况进行讨论,当$a > 0$时,计算函数定义域可得$x\geqslant a$或$x\leqslant 0$,进而可得$a\in (0$,$2]$时,两个函数图象在$y$轴左侧有一公共点,因此只需找到当$a\in (0$,$2]$时,在$y$轴右侧两个函数图象没有公共点的情况即可;然后当$a < 0$时,按类似的方式加以讨论算出$a$的取值范围,进而可得答案.
解:根据题意,可得$x^{2}-ax\geqslant 0$,令$f(x)=0$,即$2\sqrt{x^2-ax}=\vert ax-2\vert -1$.
①当$a=0$时,$x\in R$,有$2\sqrt{x^2}=\vert -2\vert -1=1$,则$x=\pm \dfrac{\sqrt{2}}{2}$,不符合题意,舍去;
②当$a > 0$时,由$x^{2}-ax\geqslant 0$,可得$x\geqslant a$或$x\leqslant 0$,则$2\sqrt{{x}^{2}-ax}=\vert ax-2\vert -1=\left\{\begin{array}{l}{ax-3,x\geqslant \dfrac{2}{a}}\\ {1-ax,x < \dfrac{2}{a}}\end{array}\right.$,
即函数$g(x)=2\sqrt{x^2-ax}$与函数$h(x)=\left\{\begin{array}{l}{ax-3,x\geqslant \dfrac{2}{a}}\\ {1-ax,x < \dfrac{2}{a}}\end{array}\right.$,有唯一公共点,
当$x\leqslant 0$时,则$ax-2 < 0$,则$2\sqrt{x^2-ax}=\vert ax-2\vert -1=1-ax$,
即$4x^{2}-4ax=(1-ax)^{2}$,整理得$(4-a^{2})x^{2}-2ax-1=[(2+a)x+1][(2-a)x-1]=0$,
当$a=2$时,即$4x+1=0$,即$x=-\dfrac{1}{4}$,
当$a\in (0,2)$,$x=-\dfrac{1}{2+a}$或$x=\dfrac{1}{2-a} > 0$(正值舍去),
当$a\in (2,+\infty )$时,$x=-\dfrac{1}{2+a} < 0$或$x=\dfrac{1}{2-a} < 0$,有两解,不符合题意,舍去,
综上所述,当$a\in (0$,$2]$时,$2\sqrt{x^2-ax}-\vert ax-2\vert +1=0$在$x\leqslant 0$时有唯一解,
因此,当$a\in (0$,$2]$时,方程$2\sqrt{x^2-ax}-\vert ax-2\vert +1=0$在$x\geqslant a$时需无解,
当$a\in (0$,$2]$,且$x\geqslant a$时,由函数$h(x)=\left\{\begin{array}{l}{ax-3,x\geqslant \dfrac{2}{a}}\\ {1-ax,x < \dfrac{2}{a}}\end{array}\right.$关于$x=\dfrac{2}{a}$对称,
令$h(x)=0$,可得$x=\dfrac{1}{a}x=\dfrac{3}{a}$,且函数$h(x)$在$(\dfrac{1}{a},\dfrac{2}{a})$上单调递减,在$(\dfrac{2}{a},\dfrac{3}{a})$上单调递增,
令$g(x)=y=2\sqrt{x^2-ax}$,即$\dfrac{(x-\dfrac{a}{2})^2}{\dfrac{a^2}{4}}-\dfrac{y^2}{a^2}=1$,
故$x\geqslant a$时,$g(x)$图案为双曲线$\dfrac{(x)^2}{\dfrac{a^2}{4}}-\dfrac{y^2}{a^2}=1$右支在$x$轴上方部分向右平移$\dfrac{a}{2}$所得,
由双曲线$\dfrac{x^{2}}{\dfrac{a^{2}}{4}}-\dfrac{y^{2}}{a^{2}}=1$的渐近线方程为$y=\pm \dfrac{a}{\dfrac{a}{2}}x=\pm 2x$,即$g(x)$部分的渐近线方程为$y=2(x-\dfrac{a}{2})$,其斜率为2,
又$a\in (0$,$2]$,即$h(x)=\left\{\begin{array}{l}{ax-3,x\geqslant \dfrac{2}{a}}\\ {1-ax,x < \dfrac{2}{a}}\end{array}\right.$在$x\geqslant \dfrac{2}{a}$时的斜率$a\in (0$,$2]$,
令$g(x)=2\sqrt{x^2-ax}=0$,可得$x=a$或$x=0$(舍去),且函数$g(x)$在$(a,+\infty )$上单调递增,
故有$\left\{\begin{array}{l}{\dfrac{1}{a} < a}\\ {\dfrac{3}{a} > a}\end{array}\right.$,解得$1 < a < \sqrt{3}$,故$1 < a < \sqrt{3}$符合要求;
③当$a < 0$时,则$2\sqrt{x^2-ax}=\vert ax-2\vert -1=\left\{\begin{array}{l}{ax-3,x\leqslant \dfrac{2}{a}}\\ {1-ax,x > \dfrac{2}{a}}\end{array}\right.$,
即函数$g(x)=2\sqrt{x^2-ax}$与函数$h(x)=\left\{\begin{array}{l}{ax-3,x\geqslant \dfrac{2}{a}}\\ {1-ax,x < \dfrac{2}{a}}\end{array}\right.$有唯一交点,
由$x^{2}-ax\geqslant 0$,可得$x\geqslant 0$或$x\leqslant a$,
当$x\geqslant 0$时,则$ax-2 < 0$,则$2\sqrt{x^2-ax}=\vert ax-2\vert -1=1-ax$,
即$4x^{2}-4ax=(1-ax)^{2}$,整理得$(4-a^{2})x^{2}-2ax-1=[(2+a)x+1][(2-a)x-1]=0$,
当$a=-2$时,即$4x-1=0$,即$x=\dfrac{1}{4}$,
当$a\in (-2,0)$,$x=-\dfrac{1}{2+a} < 0$(负值舍去)或$x=\dfrac{1}{2-a} > 0$,
当$a\in (-\infty ,2)$时,$x=-\dfrac{1}{2+a} > 0$或$x=\dfrac{1}{2-a} > 0$,有两解,舍去,
即当$a\in [-2$,$0)$时,$2\sqrt{x^2-ax}-\vert ax-2\vert +1=0$在$x\geqslant 0$时有唯一解,
则当$a\in [-2$,$0)$时,$2\sqrt{x^2-ax}-\vert ax-2\vert +1=0$在$x\leqslant a$时需无解,
当$a\in [-2$,$0)$,且$x\leqslant a$时,
由函数$h(x)=\left\{\begin{array}{l}{ax-3,x\geqslant \dfrac{2}{a}}\\ {1-ax,x < \dfrac{2}{a}}\end{array}\right.$关于$x=\dfrac{2}{a}$对称,令$h(x)=0$,可得$x=\dfrac{1}{a}$或$x=\dfrac{3}{a}$.
且函数$h(x)$在$(\dfrac{2}{a},\dfrac{1}{a})$上单调递减,在$(\dfrac{3}{a},\dfrac{2}{a})$上单调递增,
同理可得:$x\leqslant a$时,$g(x)$图像为双值的$\dfrac{(x)^2}{\dfrac{a^2}{4}}-\dfrac{y^2}{a^2}=1$左支的$x$轴上方部分向左平移$\dfrac{a}{2}$所得,
$g(x)$部分的渐近线方程为$y=-2(x+\dfrac{a}{2})$,其斜率为$-2$,
又$a\in [-2$,$0)$,即$h(x)=\left\{\begin{array}{l}{ax-3,x\geqslant \dfrac{2}{a}}\\ {1-ax,x < \dfrac{2}{a}}\end{array}\right.$在$x < \dfrac{2}{a}$时的斜率$a\in [-2$,$0)$,
令$g(x)=2\sqrt{x^2-ax}=0$,可得$x=a$或$x=0$(舍去),
且函数$g(x)$在$(-\infty ,a)$上单调递减,
故有$\left\{\begin{array}{l}{\dfrac{1}{a} > a}\\ {\dfrac{3}{a} < a}\end{array}\right.$,解得$-\sqrt{3} < a < -1$,故$-\sqrt{3} < a < -1$符合要求;
综上所述,$a\in (-\sqrt{3},-1)\bigcup (1,\sqrt{3})$.
故答案为:$(-\sqrt{3},-1)\bigcup (1,\sqrt{3})$.
点评:本题主要考查基本初等函数的图象与性质、函数的零点与方程的根、函数的单调性及其应用等知识,考查了计算能力、逻辑推理能力,属于难题.

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