设函数f(x)=ax+bxf(x)=ax+ \dfrac {b}{x},曲线y=f(x)y=f(x)在点M(3,f(3))M( \sqrt {3},f( \sqrt {3}))处的切线方程为2x−3y+23=02x-3y+2 \sqrt {3}=0. ((Ⅰ))求f(x)f(x)的解析式; ((Ⅱ))求函数f(x)f(x)的单调递减区间 ((Ⅲ))证明:曲线y=f(x)y=f(x)上任一点处的切线与直线x=0x=0和直线y=xy=x所围成的三角形面积为定值,并求此定值.

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完整解法

(Ⅰ)

1. 确定切点在切线上的坐标和切线斜率

已知切线方程为 2x−3y+23=02x-3y+2\sqrt{3}=0,将其化为斜截式得 y=23x+233y = \dfrac{2}{3}x + \dfrac{2\sqrt{3}}{3}。
由导数的几何意义可知,切线斜率 k=23k = \dfrac{2}{3}。
将切点 M(3,f(3))M(\sqrt{3}, f(\sqrt{3})) 代入切线方程,得:
23−3f(3)+23=0  ⟹  f(3)=4332\sqrt{3} - 3f(\sqrt{3}) + 2\sqrt{3} = 0 \implies f(\sqrt{3}) = \dfrac{4\sqrt{3}}{3}。

2. 根据导数和切点函数值建立方程组求出 $a,b$ 并确定解析式

对 f(x)=ax+bxf(x)=ax+\dfrac{b}{x} 求导,得 f′(x)=a−bx2f'(x) = a - \dfrac{b}{x^2}。
根据导数的几何意义有 f′(3)=a−b3=k=23f'(\sqrt{3}) = a - \dfrac{b}{3} = k = \dfrac{2}{3}。
又因为 f(3)=a3+b3=433f(\sqrt{3}) = a\sqrt{3} + \dfrac{b}{\sqrt{3}} = \dfrac{4\sqrt{3}}{3},
联立方程组:
{a−b3=23a3+b3=433\begin{cases} a - \dfrac{b}{3} = \dfrac{2}{3} \\ a\sqrt{3} + \dfrac{b}{\sqrt{3}} = \dfrac{4\sqrt{3}}{3} \end{cases}
由第二式两边同乘以 3\sqrt{3} 得 3a+b=43a + b = 4。
联立解得 {a=1b=1\begin{cases} a = 1 \\ b = 1 \end{cases}。
所以 f(x)f(x) 的解析式为 f(x)=x+1xf(x) = x + \dfrac{1}{x}。

答案

f(x)=x+1xf(x)=x+\dfrac{1}{x}

(Ⅱ)

1. 求导并解导函数小于零的不等式确定单调递减区间

由 (Ⅰ) 知 f(x)=x+1xf(x) = x + \dfrac{1}{x},其定义域为 {x∣x≠0}\{x \mid x \neq 0\}。
求导得 f′(x)=1−1x2f'(x) = 1 - \dfrac{1}{x^2}。
令 f′(x)<0f'(x) < 0,即 1−1x2<01 - \dfrac{1}{x^2} < 0,
解得 x2<1x^2 < 1 且 x≠0x \neq 0,
即 −1<x<1-1 < x < 1 且 x≠0x \neq 0。
所以函数 f(x)f(x) 的单调递减区间为 (−1,0)(-1, 0) 和 (0,1)(0, 1)。

答案

(−1,0)(-1,0) 和 (0,1)(0,1)

(Ⅲ)

1. 设出曲线上任意一点并求出该点处的切线方程

设曲线上任意一点为 P(x0,y0)P(x_0, y_0) (x0≠0x_0 \neq 0),则 y0=x0+1x0y_0 = x_0 + \dfrac{1}{x_0}。
由 y′=1−1x2y' = 1 - \dfrac{1}{x^2} 可知,曲线在点 PP 处的切线斜率为 k=1−1x02k = 1 - \dfrac{1}{x_0^2}。
则该切线方程为:
y−(x0+1x0)=(1−1x02)(x−x0)y - \left(x_0 + \dfrac{1}{x_0}\right) = \left(1 - \dfrac{1}{x_0^2}\right)(x - x_0)
化简整理得:y=(1−1x02)x+2x0y = \left(1 - \dfrac{1}{x_0^2}\right)x + \dfrac{2}{x_0}。

2. 求出切线与直线 $x=0$ 和 $y=x$ 的交点坐标

令 x=0x = 0 代入切线方程得 y=2x0y = \dfrac{2}{x_0},
所以切线与直线 x=0x=0 的交点为 A(0,2x0)A\left(0, \dfrac{2}{x_0}\right)。
令 y=xy = x 代入切线方程得 x=(1−1x02)x+2x0x = \left(1 - \dfrac{1}{x_0^2}\right)x + \dfrac{2}{x_0},
解得 x=2x0x = 2x_0,
所以切线与直线 y=xy=x 的交点为 B(2x0,2x0)B(2x_0, 2x_0)。
直线 x=0x=0 与 y=xy=x 的交点为原点 O(0,0)O(0,0)。

3. 计算三角形面积并证明其为定值

围成的三角形三个顶点分别为 O(0,0)O(0,0),A(0,2x0)A\left(0, \dfrac{2}{x_0}\right),B(2x0,2x0)B(2x_0, 2x_0)。
由于顶点 AA 在 yy 轴上,故可取 OAOA 为底,高 hh 为点 BB 的横坐标的绝对值。
底 OA=∣2x0∣OA = \left|\dfrac{2}{x_0}\right|,高 h=∣2x0∣h = |2x_0|。
所围成的三角形面积为:
S=12⋅OA⋅h=12⋅∣2x0∣⋅∣2x0∣=2S = \dfrac{1}{2} \cdot OA \cdot h = \dfrac{1}{2} \cdot \left|\dfrac{2}{x_0}\right| \cdot |2x_0| = 2。
因为面积 S=2S = 2 是一个常数,与 x0x_0 无关,
所以曲线 y=f(x)y=f(x) 上任一点处的切线与直线 x=0x=0 和直线 y=xy=x 所围成的三角形面积为定值,此定值为 22。

答案

定值为 22

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