曲线 CC 的方程为 y=x2+x+3x−2y = \frac{x^2 + x + 3}{x - 2}。

  1. (i)

    在不使用计算器的情况下,求 yy 可取的值的集合。

  2. (ii)

    草拟 CC 的图像,清晰写出所有渐近线的方程,以及所有极值点和与坐标轴交点的坐标。

  3. (iii)

    通过在 (ii) 的同一图中绘制合适的图像,求出 kk(其中 k>0k > 0)的取值范围,使得方程 (x+1)2(x−2)2+(x2+x+3)2=k2(x−2)2(x+1)^2(x-2)^2 + (x^2+x+3)^2 = k^2(x-2)^2 至少有一个正实根,结果精确到小数点后3位。

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完整解法

(i)

1. 将分式函数方程转化为关于 $x$ 的二次方程

由 y=x2+x+3x−2y = \frac{x^2 + x + 3}{x - 2},整理得:
y(x−2)=x2+x+3y(x - 2) = x^2 + x + 3
x2+(1−y)x+(3+2y)=0x^2 + (1 - y)x + (3 + 2y) = 0

2. 利用实根存在条件 $\Delta \ge 0$ 列出关于 $y$ 的不等式并求解

因为 xx 为实数,所以该二次方程的判别式必须满足 Δ≥0\Delta \ge 0:
Δ=(1−y)2−4(1)(3+2y)≥0\Delta = (1 - y)^2 - 4(1)(3 + 2y) \ge 0
1−2y+y2−12−8y≥01 - 2y + y^2 - 12 - 8y \ge 0
y2−10y−11≥0y^2 - 10y - 11 \ge 0
(y−11)(y+1)≥0(y - 11)(y + 1) \ge 0
解得 y≤−1y \le -1 或 y≥11y \ge 11。
因此,yy 可取的值的集合为 {y∈R:y≤−1 或 y≥11}\{y \in \mathbb{R} : y \le -1 \text{ 或 } y \ge 11\}。

答案

{y∈R:y≤−1 或 y≥11}\{y \in \mathbb{R} : y \le -1 \text{ 或 } y \ge 11\}

(ii)

1. 求渐近线方程

对 y=x2+x+3x−2y = \frac{x^2 + x + 3}{x - 2} 进行化简:
y=x+3+9x−2y = x + 3 + \frac{9}{x - 2}
当 x→2x \to 2 时,y→∞y \to \infty,故垂直渐近线为 x=2x = 2。
当 x→±∞x \to \pm\infty 时,9x−2→0\frac{9}{x - 2} \to 0,故斜渐近线为 y=x+3y = x + 3。

2. 求转折点坐标与坐标轴截距

求导:dydx=1−9(x−2)2=0  ⟹  (x−2)2=9  ⟹  x−2=±3\frac{dy}{dx} = 1 - \frac{9}{(x - 2)^2} = 0 \implies (x - 2)^2 = 9 \implies x - 2 = \pm 3。
得 x=5x = 5 或 x=−1x = -1。
当 x=5x = 5 时,y=11y = 11,极小值点为 (5,11)(5, 11);
当 x=−1x = -1 时,y=−1y = -1,极大值点为 (−1,−1)(-1, -1)。

与 yy 轴交点:当 x=0x = 0 时,y=−1.5y = -1.5,交点为 (0,−1.5)(0, -1.5)。
与 xx 轴交点:x2+x+3=0x^2 + x + 3 = 0 的 Δ=1−12=−11<0\Delta = 1 - 12 = -11 < 0,无实根,故与 xx 轴无交点。

3. 绘制曲线草图

画出两条虚线渐近线 x=2x = 2 与 y=x+3y = x + 3,标出极小值点 (5,11)(5, 11)、极大值点 (−1,−1)(-1, -1) 和 yy 轴截距 (0,−1.5)(0, -1.5),绘制分居于垂直渐近线两侧的双分支双曲线草图。

答案

渐近线方程为 x=2x = 2 和 y=x+3y = x + 3;拐点(转折点)坐标为 (−1,−1)(-1, -1) 和 (5,11)(5, 11);yy 轴截距为 (0,−1.5)(0, -1.5),无 xx 轴截距。

(iii)

1. 将代数方程变形为几何距离/圆的方程结构

原方程为:
(x+1)2(x−2)2+(x2+x+3)2=k2(x−2)2(x+1)^2(x-2)^2 + (x^2+x+3)^2 = k^2(x-2)^2
两边同除以 (x−2)2(x-2)^2(因为 x=2x = 2 显然不是原方程的根):
(x+1)2+(x2+x+3x−2)2=k2(x+1)^2 + \left(\frac{x^2+x+3}{x-2}\right)^2 = k^2
即:
(x+1)2+y2=k2(x+1)^2 + y^2 = k^2
这表示以点 A(−1,0)A(-1, 0) 为圆心、半径为 kk 的圆 (k>0)(k > 0) 与曲线 CC 的交点方程。

2. 借助图像分析曲线 $C$ 在 $x > 0$ 区域与圆相交的临界条件

原方程有至少一个正实根 x>0x > 0,等价于圆 (x+1)2+y2=k2(x+1)^2 + y^2 = k^2 与曲线 CC 在 x>0x > 0 的区域至少有一个交点。

观察 (ii) 中的图像:
对于 x∈(0,2)x \in (0, 2),曲线 CC 位于第四象限,其 yy 值从 x→0+x \to 0^+ 时的 y→−1.5y \to -1.5 连续单调递减至 −∞-\infty。
当 x→0+x \to 0^+ 时,点 (x,y)(x, y) 趋近于 (0,−1.5)(0, -1.5)。
圆心 A(−1,0)A(-1, 0) 到边界点 (0,−1.5)(0, -1.5) 的距离为:
d0=(0−(−1))2+(−1.5−0)2=1+2.25=3.25≈1.80278d_0 = \sqrt{(0 - (-1))^2 + (-1.5 - 0)^2} = \sqrt{1 + 2.25} = \sqrt{3.25} \approx 1.80278
当 xx 从 00 增加到 22 时,点 (x,y)(x, y) 到 A(−1,0)A(-1, 0) 的距离 d(x)=(x+1)2+y2d(x) = \sqrt{(x+1)^2 + y^2} 严格单调递增,且范围为 (3.25,+∞)(\sqrt{3.25}, +\infty)。
因此,当 k>3.25k > \sqrt{3.25} 时,圆必与曲线 CC 在 0<x<20 < x < 2 区域有交点(即正实根)。

3. 给出精确到 3 位小数的 $k$ 的取值范围

计算临界值:
3.25≈1.8027756...\sqrt{3.25} \approx 1.8027756...
保留三位小数,得 k>1.803k > 1.803。

答案

k>1.803k > 1.803

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