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2026年高考数学北京-20

  2026-10-10 17:52:57  

(15分)设函数$f(x)=x^{2}+mx-4e^{nx-1}(n$是整数).已知曲线$y=f(x)$在点$(-1$,$f(-1))$处的切线方程为$4x+e^{2}y+e^{2}+8=0$.
(Ⅰ)求$m$,$n$的值;
(Ⅱ)求$f(x)$的极值点个数;
(Ⅲ)求直线$l:y=kx-1(k > 0)$与曲线$y=f(x)$的交点个数.
〖答案〗$(I)m=2$,$n=1$;
(Ⅱ)2;
(Ⅲ)1.
〖分析〗$(I)$利用切线方程的斜率与切点在曲线上的条件,联立方程求解整数参数$m$,$n$;
(Ⅱ)通过分析一阶导数的单调性与零点个数,确定原函数的极值点个数;
(Ⅲ)构造交点方程,结合导数分析函数单调性与极值,通过极限情况判断零点个数.
〖解答〗解:$(I)$由切线方程$4x+e^{2}y+e^{2}+8=0$,整理得$y=-\dfrac{4}{e^2}x-1-\dfrac{8}{e^2}$,故切线斜率为$-\dfrac{4}{e^2}$.
将$x=-1$代入切线方程,得$f(-1)=-\dfrac{4}{e^2}\times (-1)-1-\dfrac{8}{e^2}=-\dfrac{4}{e^2}-1$.
由$f(x)=x^{2}+mx-4e^{nx-1}$,得$f'(x)=2x+m-4ne^{nx-1}$,故$f'(-1)=-2+m-4ne^{-n-1}$.
联立$\left\{\begin{array}{l}f'(-1)=-\dfrac{4}{e^2}\\  f(-1)=-\dfrac{4}{e^2}-1\end{array}\right.$,即$\left\{\begin{array}{l}-2+m-4ne^{-n-1}=-\dfrac{4}{e^2}\\  1-m-4e^{-n-1}=-\dfrac{4}{e^2}-1\end{array}\right.$.
由第二个方程整理得$m=2+\dfrac{4}{e^2}-4e^{-n-1}$,因$n\in \mathbb{Z}$,令$-n-1=-2$,得$n=1$,此时$e^{-n-1}=e^{-2}=\dfrac{1}{e^2}$,代入得$m=2$.
验证:当$m=2$,$n=1$时,$f'(-1)=-2+2-4\times 1\times e^{-2}=-\dfrac{4}{e^2}$,与切线斜率一致,故$m=2$,$n=1$.
(Ⅱ)由$(I)$得$f(x)=x^{2}+2x-4e^{x-1}$,求导得$f'(x)=2x+2-4e^{x-1}$.
令$g(x)=f'(x)=2x+2-4e^{x-1}$,则$g'(x)=2-4e^{x-1}$.
令$g'(x)=0$,得$e^{x-1}=\dfrac{1}{2}$,解得$x=1-\ln 2$.
当$x < 1-\ln 2$时,$g'(x) > 0$,$g(x)$单调递增;当$x > 1-\ln 2$时,$g'(x) < 0$,$g(x)$单调递减.
故$g(x)$的最大值为$g(1-\ln 2)=2(1-\ln 2)+2-4e^{-\ln 2}=4-2\ln 2-2=2-2\ln 2 > 0$.
又$\mathop{\lim}\limits_{x\rightarrow -\infty }g(x)=-\infty$,$\mathop{\lim}\limits_{x\rightarrow +\infty }g(x)=-\infty$,故$g(x)$在$(-\infty ,1-\ln 2)$和$(1-\ln 2,+\infty )$各有一个零点,
即$f'(x)=0$有两个不同的实根,且$f'(x)$在两零点左右变号,故$f(x)$有2个极值点.
(Ⅲ)由$kx-1=x^{2}+2x-4e^{x-1}$,整理得$h(x)=x^{2}+(2-k)x+1-4e^{x-1}=0(k > 0)$.
求导得$h'(x)=2x+2-k-4e^{x-1}=g(x)-k$,其中$g(x)$为(Ⅱ)中的函数,最大值为$2-2\ln 2$.
当$k > 2-2\ln 2$时,$g(x)\leqslant 2-2\ln 2 < k$,故$h'(x) < 0$恒成立,$h(x)$在$\mathbb{R}$上单调递减.
又$\mathop{\lim}\limits_{x\rightarrow -\infty }h(x)=+\infty$,$h(0)=1-4e^{-1} < 0$,故$h(x)$仅有1个零点,即交点个数为1.
当$k=2-2\ln 2$时,$h'(x)=g(x)-k\leqslant 0$恒成立,仅在$x=1-\ln 2$处$h'(x)=0$,故$h(x)$在$\mathbb{R}$上单调递减.
同理,$\mathop{\lim}\limits_{x\rightarrow -\infty }h(x)=+\infty$,$h(1-\ln 2)=(1-\ln 2)^{2}+(2-(2-2\ln 2))(1-\ln 2)+1-4e^{-\ln 2}=-\ln ^{2}2 < 0$,
故$h(x)$仅有1个零点,即交点个数为1.
当$0 < k < 2-2\ln 2$时,$h'(x)=0$有两个零点$x_{1} < 1-\ln 2 < x_{2}$,
$h(x)$在$(-\infty ,x_{1})$单调递减,在$(x_{1}$,$x_{2})$单调递增,在$(x_{2}$,$+\infty )$单调递减.
由$h(x_1)=(x_1-1)(4e^{x_1-1}-(1+x_1))$,$x_{1} < 1-\ln 2 < 1$,故$x_{1}-1 < 0$;
令$u(t)=4e^{t}-t-2(t=x_{1}-1 < -\ln 2)$,$u'(t)=4e^{t}-1$,当$t < -\ln 4$时,$u'(t) < 0$,
当$-\ln 4 < t < -\ln 2$时,$u'(t) > 0$,$u(-\ln 4)=\ln 4-1 > 0$,故$u(t) > 0$,因此$h(x_{1}) < 0$.
同理,$x_{2}\in (1-\ln 2,1)$,$x_{2}-1 < 0$,$u(t)=4e^{t}-t-2(t=x_{2}-1\in (-\ln 2,0))$,$u(t) > 0$,故$h(x_{2}) < 0$.
又$\mathop{\lim}\limits_{x\rightarrow -\infty }h(x)=+\infty$,$\mathop{\lim}\limits_{x\rightarrow +\infty }h(x)=-\infty$,故$h(x)$在$(-\infty ,x_{1})$有1个零点,在$(x_{1}$,$+\infty )$无零点,即交点个数为1.
综上,当$k > 0$时,$y=kx-1$与$f(x)$的交点个数为1.
〖点评〗本题主要考查导数的几何意义、利用导数研究函数的单调性与极值、函数零点问题,属于难题.

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