每日一题[2800]分而治之

设函数 $f\left(x\right) = {a^x} + {b^x} - {c^x}$,其中 $ c > a > 0 $,$c > b > 0 $.

$(1)$ 记集合 $M = \left\{ \left(a, b,c\right)\mid a,b,c~\text{ 不能构成一个三角形的三条边长},~\text{且}~a = b \right\}$,则 $\left(a,b,c\right) \in M$ 所对应的 $f\left(x\right)$ 的零点的所有可能取值构成的集合为[[nn]];

$(2)$ 若 $a,b,c$ 是 $ \triangle ABC $ 的三条边长,则下列结论正确的是 [[nn]].(写出所有正确结论的序号)

① $\forall x \in \left( { - \infty ,1} \right)$,$ f\left( x \right) > 0 $;

② $\exists x \in {\mathbb{R}}$,使 $ {a^x},{b^x},{c^x} $ 不能构成一个三角形的三条边长;

③ 若 $\triangle ABC$ 为钝角三角形,则 $ \exists x \in \left( {1,2} \right) $,使 $f\left( x \right) = 0 $.

答案    $\left\{x \mid 0<x\leqslant 1\right\}$;①②③.

解析    本题综合考查指数函数的性质以及对新定义的理解,通过变形得到函数 $f(x)$ 的单调性是解决问题的关键.

$(1)$ 若 $a,b,c$ 不能构成一个三角形的三条边长且 $a=b$,则 $\dfrac ca\geqslant 2$ 且\[f(x)=2a^x-c^x,\]此时 $f(x)$ 的零点为\[x={\log_{\frac ca}}2=\dfrac{\ln 2}{\ln\dfrac ca},\]其取值范围是 $(0,1]$.

$(2)$ 若 $a,b,c$ 是 $\triangle ABC$ 的三边长,由于 $c$ 是最长边,因此 $a+b》c$.由于\[f(x)=c^x\cdot \left(\left(\dfrac ac\right)^x+\left(\dfrac bc\right)^x-1\right),\]记 $g(x)=\left(\dfrac ac\right)^x+\left(\dfrac bc\right)^x-1$,则 $g(0)=1$,$g(1)=\dfrac{a+b-c}c>0$,且 $g(x)$ 是 $x\in \mathbb R$ 上的单调递减函数.

对于命题 ①,由于当 $x\in (-\infty,1)$ 时,有 $g(x)>g(1)>0$,于是\[f(x)=c^x\cdot g(x)>0,\]命题成立;

对于命题 ②,$(3,4,5)$ 是三角形的三边长,但 $(3^2,4^2,5^2)$ 不能构成一个三角形的三条边长,命题成立;

对于命题 ③,若 $\triangle ABC$ 是钝角三角形,则根据余弦定理,有\[a^2+b^2-c^2<0\iff g(2)<0,\]于是存在 $x\in (1,2)$,使 $g(x)=0$,也即存在 $x\in (1,2)$,使 $f(x)=0$,命题成立.

综上所述,正确的结论是 ①②③.

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