2025 新高考 I 卷数学 P19(3) 的一个几何解法

碎碎念:折腾了一个下午发现 MathJax 在 Hexo 上简直就是不能用,渲染到处出错,还不如改回 KaTeX,反正现在还是一个不支持加包也不支持 \newcommand 的状态,所以说 Hexo 不好用呢,以后长文章都会丢到 mkdocs 的那个博客上了。

f(x)=5cos(x)cos(5x+t)f(x)=5\cos (x)-\cos (5x+t),求:

mintR{maxxRf(x)}\min_{t\in \mathbb R}\left\{\max_{x\in \mathbb R}f(x)\right\}

先求导,有:

f(x)=5sin(5x+t)5sin(x)=10(cos(6x+t2)sin(4x+t2))f'(x)=5\sin(5x+t)-5\sin (x)=10\left(\cos\left(\frac{6x+t}{2}\right)\sin\left(\frac{4x+t}{2}\right)\right)

f(x)=0f'(x)=0xx 的取值集合为:

{x:6x+t2=π2+kπ}{x:4x+t2=kπ}\left\{x:\frac{6x+t}{2}=\frac{\pi}{2}+k\pi\right\} \cup \left\{x:\frac{4x+t}{2}=k\pi\right\}

所以极值点有 x=(2k+1)πt6x=\dfrac{(2k+1)\pi -t}{6}x=2kπt4x=\dfrac{2k\pi-t}{4}

先考虑当 x=(2k+1)πt6x=\dfrac{(2k+1)\pi-t}{6} 的情况,设:

g(k)=5cos((2k+1)πt6)cos((10k+5)π5t6+t)=5cos((2k+1)πt6)cos((10k+5)π+t6)\begin{aligned} g(k)&=5\cos\left(\frac{(2k+1)\pi-t}{6}\right)-\cos\left(\frac{(10k+5)\pi -5t}{6}+t\right)\\ &=5\cos\left(\frac{(2k+1)\pi-t}{6}\right)-\cos\left(\frac{(10k+5)\pi +t}{6}\right) \end{aligned}

其中 kZk\in \mathbb Z,令 α=(2k+1)πt6,β=(10k+5)π+t6\alpha =\dfrac{(2k+1)\pi-t}{6},\beta =\dfrac{(10k+5)\pi +t}{6},显然有 α+β=(2k+1)π\alpha +\beta =(2k+1)\pig(k)=5cos(α)cos((2k+1)πα)=6cos(α)g(k)=5\cos (\alpha)-\cos((2k+1)\pi -\alpha)=6\cos (\alpha),显然只需考虑 k=0,1,2,3,4,5k=0,1,2,3,4,5 的情形,因为 g(k)=g(kmod6)g(k)=g(k\bmod 6),即:maxk=05g(k)=maxxZg(k)\displaystyle \max_{k=0}^{5}g(k)=\max_{x\in \mathbb Z}g(k)

不难注意到,当 t=0t=0 时,k=0,1,2,3,4,5k=0,1,2,3,4,5 对应的 α\alpha 分别是 π6,3π6,5π6,7π6,9π6,11π6\dfrac{\pi}{6},\dfrac{3\pi}{6},\dfrac{5\pi}{6},\dfrac{7\pi}{6},\dfrac{9\pi}{6},\dfrac{11\pi}{6},在平面直角坐标系上画出与 xx 轴正半轴夹角为某个 α\alpha 的所有单位向量,有:

图1

此时,有 maxg(k)=6cosπ6=33\max g(k)=6\cos \dfrac{\pi}{6}=3\sqrt 3。对于 t0t\neq 0 的情况,这相当于将这 66 条向量同时顺时针旋转 t6\dfrac{t}{6},显然,无论如何,至少有一条向量与 xx 轴正半轴夹角的绝对值 π6\le \dfrac{\pi}{6},即对应 α\alphacosα33\cos \alpha \ge 3\sqrt 3

也即,无论 tt 如何取,总有 maxkZ{f((2k+1)πt6)}33\displaystyle\max_{k\in \mathbb Z} \left\{f\left(\dfrac{(2k+1)\pi -t}{6}\right)\right\}\ge 3\sqrt 3,等号取到当且仅当 t=2aπ,aZt=2a\pi,a\in \mathbb Z

再来讨论当 x=2kπt4x=\dfrac{2k\pi-t}{4} 时的情况:

h(k)=5cos(2kπt4)cos(10kπ5t4+t)=4cos(2kπt4)h(k)=5\cos\left(\frac{2k\pi-t}{4}\right)-\cos\left(\frac{10k\pi -5t}{4}+t\right)=4\cos\left(\frac{2k\pi -t}{4}\right)

不难得到 h(k)4<33h(k)\le 4<3\sqrt 3,显然,无论对于何种 ttf(x)f(x) 的最大值都不会在这种情况下产生。

综上,我们断言:无论对于何种 tt,总有 f(x)33f(x)\ge 3\sqrt 3,等号成立当且仅当 t=2kπ,kZt=2k\pi ,k\in \mathbb Z。故答案即为 333\sqrt 3


2025 新高考 I 卷数学 P19(3) 的一个几何解法
https://heratino.github.io/2025/06/10/2025newI-P19-geometry/
作者
Nelofus
发布于
2025年6月10日
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