内容正文:
专题二十七 分类讨论思想
分类讨论思想是当问题的对象不能进行统一研究时,需对研究的对象按某个标准进行分类,然后对每一类分别研究,给出每一类的结论,最终综合各类结果得到整个问题的解答.实质上分类讨论就是“化整为零,各个击破,再集零为整”的数学思想.
思想概述
方法一 由概念、公式、法则、计算性质引起的分类讨论
概念、定理分类整合即利用数学中的基本概念、定理对研究对象进行分类,如绝对值的定义、不等式的转化、等比数列{an}的前n项和公式等,然后分别对每类问题进行解决.
(1)直线l过点(0,3)与圆C:x2+y2-2x-2y-2=0交于A,B两点,且|AB|=
2,则直线l的方程为
A.3x+4y-12=0
B.3x+4y-12=0或4x+2y+1=0
C.x=0
D.x=0或3x+4y-12=0
例1
思路分析 设直线方程→斜率不存在,l:x=0→k存在,l:y=kx+3→由圆心到直线l的距离d=1求解.
√
将圆C:x2+y2-2x-2y-2=0的方程化为(x-1)2+(y-1)2=4,
则圆C的圆心坐标为(1,1),半径为2.
当直线l的斜率不存在,即直线l的方程为x=0时,
代入圆的方程得y2-2y-2=0,
解得y1=1+,y2=1-,
此时|AB|=1+-(1-)=2,符合题意;
当直线l的斜率存在时,设直线l的方程为y=kx+3,
解析
由|AB|=2,得圆心C到直线l的距离为=1,故=1,解得k=-,
故此时直线的方程为y=-x+3,即3x+4y-12=0,
综上可得,直线l的方程为x=0 或3x+4y-12=0.
解析
(2)已知数列{an}满足a1=-2,a2=2,an+2-2an=1-(-1)n,则下列选项不正确的是
A.{a2n-1}是等比数列 B.(a2i-1+2)=-10
C.{a2n}是等比数列 D.ai=52
思路分析 an+2-2an=1-(-1)n→n为奇数,{a2n-1}为等比数列;n为偶数,{a2n}为等比数列.
√
对于A,当n是奇数时,an+2-2an=2,
所以an+2+2=2(an+2),
又因为a1=-2,所以a1+2=0,
所以当n是奇数时,an+2=0,即an=-2,
即{a2n-1}是以-2为首项,1为公比的等比数列,
即选项A正确;
对于B,由A知,当n是奇数时,an+2=0,
所以(a2i-1+2)=0,即选项B错误;
解析
对于C,当n为偶数时,an+2-2an=0,
即an+2=2an,
又因为a2=2,所以=2,
所以{a2n}是以2为首项,2为公比的等比数列,
即选项C正确;
对于D,ai=(a1+a3+a5+a7+a9)+(a2+a4+a6+a8+a10)=-10+=52,
即选项D正确.
解析
批注 涉及数列中(-1)n的问题,一般需分奇、偶讨论,当n为奇数时,首项是a1,an是第个奇数项;当n为偶数时,首项是a2,an是第个偶数项.
解题时应准确把握数学概念的本质,根据需要对所有情形分类.设直线方程需分斜率存在和不存在两种情况,数列中含(-1)n需分奇、偶两种情况,要注意分类讨论,要有理有据、不重不漏.
规律方法
方法二 由图形位置或形状引起的分类讨论
图形位置、形状分类整合是指由几何图形的不确定性而引起的分类讨论,这种方法适用于对几何图形中点、线、面的位置关系以及解析几何中直线与圆锥曲线的位置关系的研究.
(多选)已知P是圆O:x2+y2=4上任意一点,定点A在x轴上,线段AP的垂直平分线与直线OP相交于点Q,当P在圆O上运动时,Q的轨迹可以是
A.圆 B.椭圆
C.双曲线 D.抛物线
例2
思路分析 分类讨论点A的位置(圆内、圆上、圆外)→求||QO|-|QA||或|QA|+|QO|→利用圆锥曲线定义判断形状.
√
√
√
当点A在圆外时,如图(1),(2)所示,设AP的中点为B,过B作AP的垂线交直线OP于Q,连接AQ,则|QP|=|QA|,则||QO|-|QA||=|OP|=2,又|AO|>2,则此时Q的轨迹为以O,A为焦点的双曲线;
解析
当点A在圆内(非原点)时,如图(3)所示,
此时|QA|+|QO|=|QO|+|QP|=|OP|=2,
又|AO|<2,则此时Q的轨迹为以O,A为焦点的椭圆;
当A在坐标原点时,如图(4)所示,此时B,Q重合,|QO|=1,则此时Q的轨迹为以O为原点,半径为1的圆;
解析
当点A在圆上时,如图(5)所示,由垂径定理,可知Q与O重合,此时Q的轨迹为点O.
批注 点A在x轴上,但没明确是在圆内、圆外,还是圆上,所以需分类讨论,仔细审题,理解题意是关键.
圆锥曲线的形状、焦点位置不确定时要分类讨论;立体几何中点、线、面的位置变化,三角形和平行四边形的不确定性都要进行分类讨论.
规律方法
方法三 由参数变化引起的分类讨论
某些含有参数的问题,由于参数的取值不同会导致所得的结果不同,需对参数进行讨论,如含参数的方程、不等式、函数等.解决这类问题要根据需要合理确定分类标准,讨论中做到不重不漏,结论整合要周全.
已知函数f(x)=ln x+,a∈R.
(1)若函数f(x)在[1,e]上的最小值是,求a的值;
例3
思路分析 求f'(x)→分a≤1,1<a<e,a≥e讨论求最小值→a的值;
f'(x)=-=,x>0,
若a≤1,则f'(x)≥0在[1,e]上恒成立,
所以f(x)在[1,e]上单调递增,
所以f(x)min=f(1)=a=,不满足题意;
若1<a<e,令f'(x)<0,解得1≤x<a,
令f'(x)>0,解得a<x≤e,
所以函数f(x)在[1,a)上单调递减,在(a,e]上单调递增,
所以f(x)min=f(a)=ln a+1=,解得a=,满足题意;
解
若a≥e,则f'(x)≤0在[1,e]上恒成立,
所以f(x)在[1,e]上单调递减,
所以f(x)min=f(e)=1+=,解得a=,不满足题意,综上,a=.
解
(2)讨论f(x)在[1,e]上的最大值.
思路分析 讨论f(x)在[1,e]上的单调性→由单调性求f(x)的最大值.
由(1)可知若a≤1,则f'(x)≥0在[1,e]上恒成立,
所以f(x)在[1,e]上单调递增,
f(x)max=f(e)=1+;
若1<a<e,令f'(x)<0,解得1≤x<a,令f'(x)>0,解得a<x≤e,所以函数f(x)在[1,a)上单调递减,在(a,e]上单调递增,f(1)=a,f(e)=1+,
①当1+≥a,即1<a≤时,
f(x)max=f(e)=1+,
解
②当1+<a,即<a<e时,
f(x)max=f(1)=a;
若a≥e,则f'(x)≤0在[1,e]上恒成立,
所以f(x)在[1,e]上单调递减,f(x)max=f(1)=a,
综上,当a≤时,f(x)max=f(e)=1+;
当a>时,f(x)max=f(1)=a.
解
批注 本题针对闭区间上的最值问题,讨论导数等于零的根分布在所给区间的两侧和区间内,再根据单调性进行求最值.
若遇到题目中含有参数的问题,常常结合参数的意义和对结果的影响进行分类讨论,此类题目为含参型,应全面分析参数变化引起的结论的变化情况,在分类讨论时要遵循分类的原则:一是分类的标准要一致,二是分类时要做到不重不漏,三是能不分类的要尽量避免分类,杜绝无原则的分类讨论.
规律方法
专题训练
一、单项选择题
1.已知集合 A=,B=.若 B∩∁RA=
∅,则实数m的取值范围为
A.(-∞,3] B.(-∞,9]
C.(-∞,3]∪[9,+∞) D.[3,9]
√
因为集合A=,所以∁RA=(-∞,-2)∪(10,+∞).
因为集合B=,B∩∁RA=∅,
当B不为空集时,解得0≤m≤3;
当B为空集时,1+m<1-m,解得m<0.
综上,m的取值范围为(-∞,3].
解析
2.已知a>0且a≠1,则“0<a<”是“aa>”的
A.充分不必要条件
B.必要不充分条件
C.充要条件
D.既不充分也不必要条件
√
当0<a<1时,由aa>=,可得a<,此时0<a<,
当a>1时,由aa>=,可得a>,此时a>1,
所以满足不等式aa>的实数a的取值范围是,
因为是的真子集,
故“0<a<”是“aa>”的充分不必要条件.
解析
3.(2025·沈阳检测)已知等比数列的前n项和为Sn,a1=-1,S10=S5,则a4等于
A.- B.
C. D.4
√
设等比数列的公比为q,q≠0.当q=1时,由a1=-1,
可得S10=-10,S5=-5,
此时S10=S5不成立;
当q≠1时,由等比数列的前n项和公式可得=×,
解得q=-.
所以a4=a1q3=.
解析
4.(2025·郑州模拟)已知函数f(x)=则不等式f(x)≥x-1的解集为
A. B.(-∞,1]
C.(0,2] D.[2,+∞)
√
当x<1时,f(x)=x2-2x≥x-1,
得2x2-5x+2=(2x-1)(x-2)≥0,解得x≤或x≥2(舍去).
当x≥1时,令g(x)=ln x-1-=ln x-x,则g'(x)=-=,
所以当x∈[1,2)时,g'(x)>0,g(x)在[1,2)上单调递增;
当x∈(2,+∞)时,g'(x)<0,g(x)在(2,+∞)上单调递减,
所以g(x)≤g(2)=ln 2-1<0,
解析
即当x≥1时,ln x-1<x-1恒成立,
所以当x≥1时,不等式f(x)≥x-1无解.
综上,所求不等式的解集为.
解析
5.已知集合M={x||x-2|≤1},定义函数f(x)=且当x∈[m,m+2]时,函数f(x)的值域为,则实数m的取值范围是
A. B.
C.(-∞,1] D.∪
√
由题意知M={x||x-2|≤1}={x|1≤x≤3},则f(x)=
当x<0时,f(x)===+1;
当0≤x<1时,f(x)==-1;
当1≤x≤3时,f(x)=-x2+5x-5=-+;
当x>3时,f(x)==1,
解析
综上,可画出函数f(x)的大致图象,如图,
由图可知,要使函数f(x)在区间[m,m+2]上的值域为,
则需满足解得≤m≤1,故实数m的取值范围是.
解析
6.已知函数f(x)=ln x-x+-1,g(x)=-x2+2bx-4,若对任意的x1∈(0,2),x2∈[1,2],不等式f(x1)≥g(x2)恒成立,则实数b的取值范围是
A. B. (1,+∞)
C. D.
√
依题意,原问题等价于f(x1)min≥g(x2)max,x1∈(0,2),x2∈[1,2],
f(x)=ln x-x+-1(x>0),
所以f'(x)=--=.
由f'(x)>0,解得1<x<3,故函数f(x)的单调递增区间是(1,3),
同理得f(x)的单调递减区间是(0,1)和(3,+∞),
故在区间(0,2)上,f(x1)min=f(1)=-.
函数g(x)=-x2+2bx-4的对称轴为直线x=b,
解析
当b<1时,g(x)在[1,2]上单调递减,g(x2)max=g(1)=2b-5;
当1≤b≤2时,g(x2)max=g(b)=b2-4;
当b>2时,g(x)在[1,2]上单调递增,g(x2)max=g(2)=4b-8.
所以或或
解第一个不等式组得b<1,
解第二个不等式组得1≤b≤,第三个不等式组无解.
综上所述,实数b的取值范围是.
解析
二、多项选择题
7.对于给定的实数a,不等式ax2+(a-1)x-1<0的解集可能是
A. B.
C. D.R
√
√
当a=0时,不等式可化为-x-1<0,则不等式的解集为,
当a≠0时,原不等式可化为a(x+1)<0;
则当a>0时,不等式的解集为;
当a<0时,原不等式可化为(x+1)>0,
当<-1,即-1<a<0时,不等式的解集为,
解析
当=-1,即a=-1时,不等式的解集为,
当>-1,即a<-1时,不等式的解集为.
综上,A,B符合题意,C,D不符合题意.
解析
8.(2025·昭通模拟)已知直线l:x=ty-2,圆C:x2+y2-4x-4=0,则下列说法正确的有
A.若t=1,则l与圆C相切
B.若l与圆C相交,则t<-1或t>1
C.圆C可能关于直线l对称
D.若t=,则l被圆C截得的弦长为4
√
√
√
直线l过定点(-2,0),圆C:(x-2)2+y2=8,
所以圆心为C(2,0),半径为2.
对于A,若t=1,则圆心C(2,0)到直线x-y+2=0的距离为=2,所以l与圆C相切,故A正确;
对于B,依题意,由圆心C(2,0)到直线x-ty+2=0的距离为<2,解得t<-1或t>1,故B正确;
解析
对于C,将(2,0)代入到l的方程,得2=t×0-2不成立,故l不可能经过圆心C,即圆C不可能关于直线l对称,故C错误;
对于D,若t=,圆心C(2,0)到直线x-y+2=0的距离为=2,则弦长为2=4,故D正确.
解析
三、填空题
9.已知圆x2+y2=4,则经过点P(2,4)且与圆相切的直线方程为__________
.
x=2或
3x-4y+10=0
当直线的斜率不存在时,直线x=2与圆相切,符合题意;
当直线的斜率存在时,设直线方程为y-4=k(x-2),
即kx-y-2k+4=0.
由题意得=2,
解得k=,此时直线方程为3x-4y+10=0.
故所求直线方程为x=2或3x-4y+10=0.
解析
10.设F1,F2为椭圆+=1的两个焦点,P为椭圆上一点.已知P,F1,F2是一个直角三角形的三个顶点,且|PF1|>|PF2|,则的值为 .
2或
若∠PF2F1=90°,则|PF1|2=|PF2|2+|F1F2|2,
又|PF1|+|PF2|=6,|F1F2|=2,
解得|PF1|=,|PF2|=,∴=;
若∠F2PF1=90°,
则|F1F2|2=|PF1|2+|PF2|2=|PF1|2+(6-|PF1|)2,且|PF1|>|PF2|,
解得|PF1|=4,|PF2|=2,∴=2,
综上所述,=或=2.
解析
$