备考反思|2021年全国卷乙卷理科数学解析版

前言

哈三中数学教师、全国高中数学竞赛优秀教练员杨治千老师,对高考数学全国乙卷进行分析。今年的高考数学卷呈如下特点:

“题目中传统问题与创新问题相结合,重视数学应用、数学文化的考查,也出现结构不良试题及易错问题。总体来看选择题难度增大,填空题较为基础,大题虽较难但难度梯度设置合理。整张试卷较往年高考试题结构稳定,考查知识主体未变,稳中求新,向新高考靠拢,全面体现了基础性、综合性、应用性和创新性的考查要求。”

发挥数学学科特色 关注社会发展及中华传统文化

理科第6题以北京冬奥会志愿者的培训为试题背景,考查逻辑推理能力和运算求解能力。理科第9题以魏晋时期我国数学家刘徽的著作《海岛算经》中的测量方法为背景,考查考生综合运用知识解决问题的能力,让考生充分感悟到我国古代数学家的聪明才智。

坚持开放创新 考查关键能力

2020年10月,中共中央国务院《深化新时代教育评价改革总体方案》提出,稳步推进中高考改革,构建引导学生德智体美劳全面发展的考试内容体系,改变相对固化的试题形式,增强试题开放性,减少死记硬背和“机械刷题”现象。数学科高考积极贯彻《总体方案》要求,加大开放题的创新力度,利用开放题考查数学学科核心素养和关键能力,发挥数学科高考的选拔功能。“举例问题”灵活开放。如文、理科第16题有多组正确答案,有多种解题方案可供选择,考查了考生的空间想象能力,具有较好的选拔性。

倡导理论联系实际 学以致用

2021年数学高考在应用性进行重点探索,取得突破。试题注重理论联系实际,体现数学的应用价值,并让学生感悟到数学的应用之美。理论联系实际的试题,体现现代科技发展和现代社会生产等方面的特点,有机渗透数学建模、数据分析、逻辑推理等数学核心素养与数学思想方法的应用,对选拔与育人具有积极的意义。

文科重视基础 理科重视能力

文理科部分试题相同,如3、15、16、17、22、23题完全相同,理科4、5、10题分别是文科试题中的9、10、12题。18题考查立体几何知识,题中几何体完全一样,已知条件也一致,问题设置根据文理教学大纲的不同有差异。19题考查数列知识,文理共同点是信息量较大,数列关系复杂,文科题型常规,重视计算。理科在数列知识的考查中较往年难度有所提升,注重知识迁移能力,本题最能考察考生的考场心态及临场发挥能力。解析几何知识点的考查文科设置在11、14、20题,其中11、20考查的都是解析几何中的方程思想,尤其是解答题20,考生习惯于使用韦达定理解决问题,本次考题与韦达定理无关,但题目设置较易,学生容易上手。理科的考查设置在11、13、21题,其中21题主要考察切点弦知识,对了解切点弦结论的考生较有优势,可以较快上手。即便是使用韦达定理解题,与往年的21题相比难度仍有降低,但参量较多,考查学生计算过程中对代数式整体的处理能力。导数知识点的考察文科设置在12、21题,都设置成了三次函数,皆为常规题型,考查了极值点和切线问题,计算量不大,较往年比难度降低。理科设置在10、12、20题,10和20题是常规题,难度不大。12题看似是常规的比大小问题,但是用比较大小常用的介值法、放缩法都无法实现,需要用排除法再巧妙构造函数,这道题难度很大,考察了学生数学抽象、逻辑推理、数学运算、直观想象多个数学核心素养,需要学生有很强的知识整合能力才能得出正确答案。

2021年全国乙卷重视难度和思维的层次性,解题方法的多样性,给学生提供多种分析问题和解决问题的途径,体现数学学科的综合性、创新性,思维的深刻性、灵活性,方法的探究性、创造性,发挥了数学学科高考的选拔性功能。

典例剖析

【2021年高考乙卷理数第\(2\)题】已知集合 \(S=\)\(\{s\)\(\mid\)\(s\)\(=\)\(2n+1\)\(,\)\(n\)\(\in\)\(Z\)\(\}\)\(T\)\(=\)\(\{\)\(t\)\(\mid\)\(t\)\(=\)\(4n+1\)\(,\)\(n\)\(\in\)\(Z\)\(\}\), 则 \(S\)\(\cap\)\(T\)=\(\qquad\)

$A.\varnothing$ $B.S$ $C.T$ $D.Z$

法1:赋值法,将两个集合具体化,令 \(n=1,2,3,4,\cdots,\)

则集合 \(S=\{\cdots,3,5,7,9,\cdots\}\),集合 \(T=\{\cdots,5,9,13,17,\cdots\}\)

\(T \subsetneqq S\),故 \(S \cap T=T\),则选 \(C\) .

法2:当 \(n\) 是偶数时,设 \(n=2k\), 则 \(s=2n+1=4k+1\)

\(n\) 是奇数时,设 \(n=2k+1\) , 则 \(s=2n+1=4k+3\)\(k\in Z\)

\(T \subsetneqq S\), 则 \(S \cap T=T\), 故选: \(C\) .

【2021年高考乙卷文数第\(3\)题理数第\(3\)题】已知命题 \(p:\)\(\exists\)\(x\)\(\in\)\(R\)\(\sin\)\(x\)\(<\)\(1\); 命题 \(q:\)\(\forall\)\(x\)\(\in\)\(R\)\(e^{|x|}\)\(\geqslant\)\(1\), 则下列命题中为真命题的是\(\qquad\)

$A.p \wedge q$ $B. \neg p \wedge q$ $C.p \wedge\neg q$ $D.\neg(p \vee q)$

解析:容易判断命题 \(p\) 为真命题;而对于函数 \(y=e^{|x|}\) ,是偶函数,

且当 \(x\in(0,+\infty)\) 时,函数变形为 \(y=e^x\),故单调递增,

故很容易得到 \(f(x)=e^{|x|}\) 的最小值为 \(f(0)=1\),则命题 \(q\) 为真命题,

则由此判断复合命题 \(p \wedge q\) 为真命题,故选 \(A\) .

〔解后反思〕:我们需要储备函数 \(f(x)=e^{|x|}\)\(g(x)=e^x+e^{-x}\)\(h(x)=e^x-e^{-x}\)等常用常见函数的图像和性质,

①比如函数 \(f(x)=e^{|x|}\)还可以在分段函数,图像变换类题目,转化划归类题目中做其他形式的考察,比如 \(y=e^{|x-1|}\)的对称轴为 \(x=1\)

②本套试卷第 \(8\) 题中的函数 \(m(x)=2^x+2^{2-x}\) ,就是由函数 \(g(x)=e^x+e^{-x}\)变换得到的,将底数 \(e\) 换为 \(2\),单调性不变,变换为 \(h(x)=2^x+2^{-x}\),对称轴为 \(x=0\),偶函数,然后向右平移一个单位,得到 \(h(x-1)\)\(=\)\(2^{x-1}\)\(+\)\(2^{1-x}\),然后再纵向扩大 \(2\) 倍,即

\[m(x)=2h(x-1)=2\cdot 2^{x-1}+2\cdot 2^{1-x}=2^x+2^{2-x} \]

【2021年高考乙卷文数第\(9\)题理数第\(4\)题】设函数 \(f(x)=\cfrac{1-x}{1+x}\), 则下列函数中为奇函数的是\(\qquad\)

$A.f(x-1)-1$ $B.f(x-1)+1$ $C.f(x+1)-1$ $D.f(x+1)+1$

解析: 本题目的求解涉及到反比例函数函数的对称性,图像的变换,函数的奇偶性

由于 \(f(x)=\cfrac{1-x}{1+x}=\cfrac{-(x+1)+2}{1+x}=-1+\cfrac{2}{x+1}\)

所以函数 \(f(x)\) 的对称中心为 \((-1,-1)\)

所以将函数 \(f(x)\) 向右平移一个单位,向上平移一个单位,

得到函数 \(y=f(x-1)+1\) ,该函数的对称中心为 \((0,0)\)

故函数 \(y=f(x-1)+1\) 为奇函数,故选: \(B\) .

【2021年高考乙卷文数第\(10\)题理数第\(5\)题】 在正方体 \(ABCD-A_{1}B_{1}C_{1}D_{1}\) 中, \(P\)\(B_{1}D_{1}\) 的中点, 则直线 \(PB\)\(AD_{1}\) 所成的角为 \(\qquad\)

$A.\cfrac{\pi}{2}$ $B.\cfrac{\pi}{3}$ $C.\cfrac{\pi}{4}$ $D.\cfrac{\pi}{6}$

解析: 由于 \(AD_{1}//BC_{1}\), 所以 \(\angle PBC_{1}\) 是直线 \(PB\)\(AD_{1}\) 所成的角[或所成角的补角]准确的说法还需要添加这句话,或所成角的补角,原因是两条直线所成的角的范围是 \([0,\cfrac{\pi}{2}]\) ,而图形中的角 \(\angle PBC_{1}\) 的大小不一定在此范围内,

设正方体 \(ABCD-A_{1}B_{1}C_{1}D_{1}\) 的棱长为 \(2\)

\(PB_{1}=PC_{1}=\cfrac{1}{2}\sqrt{2^{2}+2^{2}}=\sqrt{2}\)

\(BC_{1}=\sqrt{2^{2}+2^{2}}=2\sqrt{2}\)\(BP=\sqrt{2^{2}+(\sqrt{2})^{2}}=\sqrt{6}\)

所以 \(\cos\angle PBC_{1}=\cfrac{PB^{2}+BC_{1}^{2}-PC_{1}^{2}}{2\times PB\times BC_{1}}=\cfrac{6+8-2}{2\times\sqrt{6}\times2\sqrt{2}}=\cfrac{\sqrt{3}}{2}\)

所以,\(\angle PBC_{1}=\cfrac{\pi}{6}\), 则直线 \(PB\)\(AD_{1}\) 所成的角为 \(\cfrac{\pi}{6}\), 故选: \(D\) .

【2021年高考乙卷理数第\(6\)题】将 \(5\) 名北京冬奥会志愿者分配到花样滑冰、短道速滑、冰球和冰壶 \(4\) 个项目进行培训,每名志愿者只分配到 \(1\) 个项目, 每个项目至少分配 \(1\) 名志愿者, 则不同的分配方案共有\(\qquad\)

$A.60$ $B.120$ $C.240$ $D.480$

解析: 从 \(5\) 名志愿者中任选 \(2\) 个分成 \(1\) 组,再从剩余的 \(3\) 名志愿者中任选 \(1\) 个分成 \(1\) 组, 再从剩余的 \(2\) 名志愿者中任选 \(1\) 个分成 \(1\) 组,再从剩余的 \(1\) 名志愿者中任选 \(1\) 个分成 \(1\) 组, 共有分组数为 \(\cfrac{C_5^2C_3^1C_2^1C_1^1}{A_3^3}=C_5^2=10\) 种方法,然后这 \(4\) 组进行全排列,有\(A_{4}^{4}\)种,共有 \(C_{5}^{2}A_{4}^{4}=240\) 种,故选: \(C\) .

【2021年高考乙卷文科数学第\(12\)题理数第\(10\)题】 设 \(a \neq 0\), 若 \(x=a\) 为函数 \(f(x)=a(x-a)^{2}(x-b)\) 的极大值点,则\(\qquad\)

$A.a < b$ $B.a > b$ $C.ab < a^2$ $D.ab > a^2$

解析:本题目的求解涉及函数的极值点穿根法的另类应用

\(f(x)=a(x-a)^{2}(x-b)=0\),得到函数的两个零点, \(x=a\)\(x=b\)

由于 \(a\neq 0\) ,故我们针对 \(a\) 分类讨论如下:

\(a>0\) 时,利用穿根法做函数简图的方法,\(x=a\) 为偶次根,\(x=b\) 为奇次根,

做出适合题意的简图如下,

由图可知,\(0<a<b\),则 \(ab>a^2\)

\(a<0\) 时,利用穿根法做函数简图的方法,\(x=a\) 为偶次根,\(x=b\) 为奇次根,

做出适合题意的简图如下,

由图可知,\(b<a<0\),则 \(ab>a^2\)

综上所述,总有 \(ab>a^2\),故选 \(D\)

【2021年高考乙卷理科数学第 \(11\) 题】设 \(B\) 是椭圆 \(C: \cfrac{x^{2}}{a^2}+\cfrac{y^{2}}{b^2}=1\) \((a>b>0)\)的上顶点,若 \(C\) 上的任意一点 \(P\) 都满足 \(|PB|\leqslant 2b\) ,则 \(C\) 的离心率的取值范围是\(\qquad\)

$A.[\cfrac{\sqrt{2}}{2},1)$ $B.[\cfrac{1}{2},1)$ $C.(0,\cfrac{\sqrt{2}}{2}]$ $D.(0,\cfrac{1}{2}]$

解法1: 由题可知点 \(B\) 的坐标为 \((0, b)\),因为 \(C\) 上的任意一点 \(P\) 都满足 \(|PB|\leqslant 2b\)

所以点 \(P\) 的轨迹可以看成以 \(B\) 为圆心, \(2b\) 为半径的圆与椭圆至多只有一个交点,

\(\left\{\begin{array}{l}\cfrac{x^{2}}{a^{2}}+\cfrac{y^{2}}{b^{2}}=1\\x^{2}+(y-b)^{2}=4b^{2}\end{array}\right.\) 至多一个解,

消去 \(x\), 可得 \(\cfrac{b^{2}-a^{2}}{b^{2}}y^{2}-2by+a^{2}-3b^{2}=0\)

所以,\(\Delta=4b^{2}-4\cdot\cfrac{b^{2}-a^{2}}{b^{2}}\cdot(a^{2}-3b^{2})\leqslant 0\)

整理可得 \(4b^{4}-4a^{2}b^{2}+a^{4}\leqslant 0\), 即 \((a^{2}-2b^{2})^{2}\leqslant 0\)

解得 \(a^{2}=2b^{2}\), 则 \(e=\sqrt{1-\cfrac{b^{2}}{a^{2}}}=\cfrac{\sqrt{2}}{2}\)

\(e\) 的范围为 \((0,\cfrac{\sqrt{2}}{2}]\),故选: \(C\).

法2: 由题可知点 \(B\) 的坐标为 \((0, b)\),设 \(P(x_0,y_0)\)

则由 \(C: \cfrac{x_0^{2}}{a^2}+\cfrac{y_0^{2}}{b^2}=1\) 可得到 \(x_0^2=a^2(1-\cfrac{y_0^2}{b^2})\)

\(|PB|^{2}=x_{0}^{2}+(y_{0}-b)^{2}=a^{2}(1-\cfrac{y_{0}^{2}}{b^{2}})+y_{0}^{2}-2by_{0}+b^{2}\)

\(=-\cfrac{c^{2}}{b^{2}}y_{0}^{2}-2by_{0}+a^{2}+b^{2}\)\(y_{0}\in[-b, b]\)

上述为以 \(y_0\) 为自变量的二次函数,图像为开口向下的抛物线,定义域为 \(y_{0}\in[-b, b]\)

对称轴为 \(y_0=-\cfrac{-2b}{2\times(-\frac{c^2}{b^2})}=-\cfrac{b^3}{c^2}\)

由题意,当 \(y_0=-b\) 时,\(|PB|^2\)最大,则 \(-\cfrac{b^3}{c^2}\leqslant -b\)

解得 \(b^2\geqslant c^2\),即 \(a^2-c^2\geqslant c^2\),则 \(e=\cfrac{c}{a}\leqslant\cfrac{\sqrt{2}}{2}\)

\(e\) 的范围为 \((0,\cfrac{\sqrt{2}}{2}]\),故选: \(C\).

【2021年高考乙卷理科数学第 \(12\) 题】设 \(a=2\ln1.01\)\(b=\ln1.02\)\(c=\sqrt{1.04}-1\),则\(\qquad\)

$A.a < b < c$ $B.b < c < a$ $C.b < a < c$ $D.c < a < b$

解析:通过构造函数来比较大小;

\(f(x)=\ln(1+x)-\sqrt{1+2x}+1\), 则 \(b-c=f(0.02)\),易得到

\(f'(x)=\cfrac{1}{1+x}-\cfrac{2}{2\sqrt{1+2x}}=\cfrac{\sqrt{1+2 x}-(1+x)}{(1+x)\sqrt{1+2x}}\)

\(x \geqslant 0\) 时, \(1+x=\sqrt{(1+x)^{2}}\geqslant\sqrt{1+2 x}\), 故 \(f'(x)\leqslant 0\)

所以, \(f(x)\)\([0,+\infty)\) 上单调递减,故 \(f(0.02)<f(0)=0\),故 \(b<c\) .

再设 \(g(x)=2\ln(1+x)-\sqrt{1+4x}+1\), 则 \(a-c=g(0.01)\), 易得到

\(g'(x)=\cfrac{2}{1+x}-\cfrac{4}{2\sqrt{1+4x}}=2\cdot\cfrac{\sqrt{1+4x}-(1+x)}{(1+x)\sqrt{1+4x}}\)

\(0\leqslant x<2\) 时,\(\sqrt{1+4x}\geqslant \sqrt{1+2x+x^2}=1+x\),所以在 \(x\in [0,2)\)时,\(g'(x)\geqslant0\)

\(g(x)\)\([0,2)\) 上单调递增,所以 \(g(0.01)>g(0)=0\),故 \(a>c\) .

综上所述, \(a>c>b\),故选 \(B\) .

【2021年高考乙卷理科数学第 \(13\) 题】已知双曲线 \(C: \cfrac{x^{2}}{m}-y^{2}=1(m>0)\) 的一条渐近线为 \(\sqrt{3}x\)\(+\)\(my\)\(=\)\(0\), 则 \(C\) 的焦距为_______.

解析:易知双曲线的渐近线方程为 \(y=\pm \cfrac{b}{a}x\)

根据题意,\(a^2=m\)\(b^2=1\),且一条渐近线方程为 \(y=-\cfrac{\sqrt{3}}{m}x\)

则有 \(\cfrac{1}{\sqrt{m}}=\cfrac{\sqrt{3}}{m}\),解得 \(m=3\)

\(a^2=3\)\(c^2=a^2+b^2=4\),则焦距为 \(2c=4\) .

【2021年高考乙卷文理数学第 \(17\) 题】某厂研制了一种生产高精产品的设币,为检验新设币生产产品的某项指标有无提高, 用一台旧设备和一台新设备各生产了 \(10\) 件产品,得到各件产品该项指标数据如下:

旧设备 \(9.8\) \(10.3\) \(10.0\) \(10.2\) \(9.9\) \(9.8\) \(10.0\) \(10.1\) \(10.2\) \(9.7\)
新设备 \(10.1\) \(10.4\) \(10.1\) \(10.0\) \(10.1\) \(10.3\) \(10.6\) \(10.5\) \(10.4\) \(10.5\)

旧设备和新设备生产产品的该项指标的样本平均数分别记为 \(\bar{x}\)\(\bar{y}\) , 样本方差分别记为 \(s_{1}^{2}\)\(s_{2}^{2}\) .

(1) 求 \(\bar{x}\)\(\bar{y}\)\(s_{1}^{2}\)\(s_{2}^{2}\) .

解析: \(\bar{x}=10+\cfrac{(-0.2)+0.3+0+0.2+(-0.1)+(-0.2)+0+0.1+0.2+(-0.3)}{10}=10\)

\(\bar{y}=10+\cfrac{0.1+0.4+0.1+0+0.1+0.3+0.6+0.5+0.4+0.5}{10}=10.3\)

\(s_{1}^{2}=\cfrac{1}{10}[(-0.2)^2+0.3^2+0^2+0.2^2+(-0.1)^2+(-0.2)^2+0^2+0.1^2+0.2^2+0.3^2]=0.036\)

\(s_{2}^{2}=\cfrac{1}{10}[(-0.2)^2+0.1^2+(-0.2)^2+(-0.3)^2+(-0.2)^2+0^2+0.3^2+0.2^2+0.1^2+0.2^2]=0.04\)

(2) 判断新设备生产产品的该项指标的均值较旧设备是否有显著提高(如果 \(\bar{y}-\bar{x}\geqslant\)\(2\sqrt{\cfrac{s_{1}^{2}+s_{2}^{2}}{10}}\), 则认为新设备生产产品的该项指标的均值较旧设备有显著提高, 否则不认为有显著提高).

解析: \(\bar{y}-\bar{x}=10.3-10=0.3=\sqrt{0.09}\)

\(2\sqrt{\cfrac{s_{1}^{2}+s_{2}^{2}}{10}}\)\(=\)\(2\sqrt{\cfrac{0.036+0.04}{10}}\)\(=\)\(2\sqrt{0.0076}\)\(=\)\(\sqrt{0.0304}\)

由于 \(\sqrt{0.09}>\sqrt{0.0304}\),即 \(\bar{y}-\bar{x}>\) \(2\sqrt{\cfrac{s_{1}^{2}+s_{2}^{2}}{10}}\)

故新设备生产产品的该项指标的均值较旧设备有显著提高。

【2021年高考乙卷理科数学第 \(18\) 题】 如图,四棱锥 \(P-ABCD\) 的底面是矩形, \(PD\perp\) 底面 \(ABCD\)\(M\)\(BC\) 的中点,且 \(PB \perp AM\) .

(1). 求 \(BC\) ;

解析:求解矩形的宽 \(BC\) 时 ,可以从以下三个思路思考求解:

思路一:利用直角三角形相似求解,由于 \(AM\perp\)平面 \(PBD\) ,故有 \(AM\perp BD\)

由于 \(\angle BAM+\angle DAM=\cfrac{\pi}{2}\)\(\angle ADB+\angle DAM=\cfrac{\pi}{2}\)

\(\angle ADB=\angle BAM\), 且 \(Rt\triangle ADB\sim Rt\triangle BAM\)

则有 \(\cfrac{AD}{AB}=\cfrac{AB}{BM}\),令 \(BM=x\),则 \(\cfrac{2x}{1}=\cfrac{1}{x}\)

解得 \(x=\cfrac{\sqrt{2}}{2}\),故 \(BC=2x=\sqrt{2}\)

思路二:由于 \(AM\perp\)平面 \(PBD\) ,故有 \(AM\perp BD\),此时我们可以利用平面向量解决问题,

建立如右图所示的平面坐标系,利用平面向量求解,[或直接在立体图形中建系,利用空间向量求解],

则点\(D(0,0)\)\(C(1,0)\),设 \(|AD|=|BC|=2x\),则 \(A(0,-2x)\)\(M(1,-x)\)\(B(1,-2x)\)

\(\overrightarrow{DB}=(1,-2x)\)\(\overrightarrow{AM}=(1,x)\),由于 \(AM\perp BD\)

\(\overrightarrow{DB}\cdot\overrightarrow{AM}=0\),即 \((1,-2x)\cdot(1,x)=0\)

\(1-2x^2=0\),解得\(x=\cfrac{\sqrt{2}}{2}\),故 \(AD=BC=\sqrt{2}\)

思路三:利用 \(Rt\triangle\) 求解 \(BC\) 的长度;

\(DC\)\(PC\) 的中点分别为 \(E\)\(F\) ,连结 \(EA\)\(EM\)\(EF\)\(FA\)\(FM\)

由于 \(PD\perp\) 下底面 \(ABCD\) ,故 \(FE\perp\) 下底面 \(ABCD\)

\(\triangle FEA\)\(\triangle FEM\)\(Rt\triangle\)

又由于 \(ME//BD\)\(MF//PB\)\(AM\perp PB\)

\(AM\perp MF\) ,则 \(\triangle AMF\)\(Rt\triangle\)

\(BM=CM=x\),则 \(AD=2x\)\(DE=EF=CE=\cfrac{1}{2}\)

\(MF^2=ME^2+EF^2=\cfrac{1}{4}+x^2+\cfrac{1}{4}=\cfrac{1}{2}+x^2\)

\(AF^2=AE^2+EF^2=\cfrac{1}{4}+(2x)^2+\cfrac{1}{4}=\cfrac{1}{2}+4x^2\)

\(AM^2=1+x^2\),由于 \(AF^2=AM^2+MF^2\)

则有 \(\cfrac{1}{2}+4x^2=\cfrac{1}{2}+x^2+1+x^2\)

解得 \(x=\cfrac{\sqrt{2}}{2}\),故 \(BC=2x=\sqrt{2}\) .

(2). 求二面角 \(A-PM-B\) 的正弦值;

解析:由题可知,\(DA\)\(DC\)\(DP\) 两两互相垂直,故以点 \(D\) 为坐标原点,建立空间直角坐标系如图所示,

\(A(\sqrt{2},0,0)\)\(B(\sqrt{2},1,0)\)\(M(\cfrac{\sqrt{2}}{2},1,0)\)\(P(0,0,1)\)

\(\overrightarrow{AP}=(-\sqrt{2},0,1)\)\(\overrightarrow{PM}=(\cfrac{\sqrt{2}}{2},1,-1)\)

设平面 \(APM\) 的法向量为 \(\vec{n}=(x,y,z)\)

则有 \(\left\{\begin{array}{l}{\vec{n}\cdot\overrightarrow{AP}=0}\\{\vec{n}\cdot\overrightarrow{PM}=0}\end{array}\right.\quad\) ,即 \(\left\{\begin{array}{l}{-\sqrt{2}x+z=0}\\{\cfrac{\sqrt{2}}{2}x+y-z=0}\end{array}\right.\quad\)

\(x=\sqrt{2}\) 此处实质是求解不定方程,故常常使用赋值法,为了减少或防止坐标中出现分数,避免运算出错,具体的赋值还是有一定的讲究和技巧的。\(\quad\),则 \(y=1\)\(z=2\),即 \(\vec{n}=(\sqrt{2},1,2)\)

同理,设平面 \(PMB\)的法向量为 \(\vec{v}=(p,q,r)\)注意,将向量 \(\overrightarrow{PM}\)作为公共量,下面的计算就可以减少运算量\(\quad\)

则有 \(\left\{\begin{array}{l}{\vec{v}\cdot\overrightarrow{PM}=0}\\{\vec{v}\cdot\overrightarrow{MB}=0}\end{array}\right.\quad\) ,即 \(\left\{\begin{array}{l}{\cfrac{\sqrt{2}}{2}p+q-r=0}\\{-\sqrt{2}p=0}\end{array}\right.\quad\)

\(q=1\),则 \(r=1\)\(p=0\),即 \(\vec{v}=(0,1,1)\)

所以 \(|\cos<\vec{n},\vec{v}>|=\cfrac{|\vec{n}\cdot\vec{v}|}{|\vec{n}||\vec{v}|}=\cfrac{3}{\sqrt{7}\times\sqrt{2}}=\cfrac{3}{\sqrt{14}}\)

[注意,此处仅仅是一步中间过程,接下来还要平方,故可以不做分母有理化,省时省力]

设二面角 \(A-PM-B\) 的平面角为 \(\alpha\)

\(\sin\alpha=\sqrt{1-\cos^{2}\alpha}=\sqrt{1-\cos^{2}<\vec{n}, \vec{v}>}=\sqrt{1-(\cfrac{3}{\sqrt{14}})^{2}}=\cfrac{\sqrt{70}}{14}\)

所以二面角 \(A-PM-B\) 的正弦值为 \(\cfrac{\sqrt{70}}{14}\).

〔解后反思〕:① 二面角的平面角用这两个平面的法向量的夹角来刻画;

② 若两个平面的法向量分别为 \(\vec{n}=(x,y,z)\)\(\vec{v}=(p,q,r)\),二面角的平面角或其补角为 \(\theta=<\vec{n},\vec{v}>\)

\(\cos\theta=\cos<\vec{n},\vec{v}>=\cfrac{\vec{n}\cdot\vec{v}}{|\vec{n}||\vec{v}|}=\cfrac{xp+yq+rz}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}\sqrt{p^2+q^2+r^2}}\)

③ 若题目需要求解二面角的余弦值时,需要特别注意,此时还需要通过观察图形[而不是通过计算来确定]来确定二面角的平面角是锐角、直角或钝角;容易出错的是有人计算得到 \(\cos\theta<0\),就认为平面角为钝角,这是错误的,其实平面角的正负与我们所取的法向量的方向有关,并不能说明平面角是不是钝角。

④ 若题目需要求解二面角的正弦值时,采用公式 \(\sin\theta=\sqrt{1-\cos^2\theta}\) 来求解;

【2021年高考乙卷理科数学第 \(19\) 题】记 \(S_{n}\) 为数列 \(\{a_{n}\}\) 的前 \(n\) 项和, \(b_{n}\) 为数列 \(\{S_{n}\}\) 的前 \(n\) 项积, 已知 \(\cfrac{2}{S_{n}}+\cfrac{1}{b_{n}}=2\).

(1). 证明:数列 \(\{b_{n}\}\) 是等差数列;

解析:由 \(b_{n}\) 的定义,\(b_n=S_1\times S_2\times\cdots\times S_n\)\(b_{n-1}=S_1\times S_2\times\cdots\times S_{n-1}\)

可得到 \(\cfrac{b_n}{b_{n-1}}=S_n\)\(n\geqslant 2\),将其代入已知 \(\cfrac{2}{S_{n}}+\cfrac{1}{b_{n}}=2\)

得到 \(\cfrac{2b_{n-1}}{b_n}+\cfrac{1}{b_n}=2\),即 \(2b_{n-1}+1=2b_n\)

\(b_n-b_{n-1}=\cfrac{1}{2}\)\(n\geqslant 2\)

又当 \(n=1\) 时, 由 \(\cfrac{2}{S_{1}}+\cfrac{1}{b_{1}}=2\), 解得 \(b_1=\cfrac{3}{2}\)

故数列 \(\{b_n\}\) 是以 \(\cfrac{3}{2}\) 为首项,以 \(\cfrac{1}{2}\) 为公差的等差数列 .

〔解后反思〕:①本小问的求解分析容易陷入泥沼,由于是证明 \(\{b_n\}\) 为等差数列,故我们一般能想到利用定义式证明 \(b_n-b_{n-1}=m\) ,其中 \(m\) 为常数,或者利用等差中项法证明 \(2b_n=b_{n+1}+b_{n-1}\)(\(n\geqslant 2\)) ,沿着此思路容易想到先将已知条件变形得到 \(b_n=\cfrac{S_n}{2S_n-2}\) ,再类比得到 \(b_{n-1}\)\(=\)\(\cfrac{S_{n-1}}{2S_{n-1}-2}\)(\(n\geqslant 2\)),但是当设法计算 \(b_n-b_{n-1}\) 时思路受阻没法进行下去了,需要调整分析思路。

② 由于已知的式子中只含有两个变量 \(S_n\)\(b_n\) ,而要证明的只与 \(b_n\) 有关,故我们猜想需要替换掉 \(S_n\),但是这个 \(S_n\) 又不能用上面的思路得到,故此时只能研究题目所给的已知条件了。

③由我们所学的数列常识可知,

\(S_n=a_1+a_2+\cdots+a_n\),则 \(S_{n-1}=a_1+a_2+\cdots+a_{n-1}\)

\(a_n=S_n-S_{n-1}\)(\(n\geqslant 2\)),由此类比思考可得到,

依照 \(b_{n}\) 的定义,\(b_n=S_1\times S_2\times\cdots\times S_n\)\(b_{n-1}=S_1\times S_2\times\cdots\times S_{n-1}\)

可得到 \(\cfrac{b_n}{b_{n-1}}=S_n\)\(n\geqslant 2\),这样代入已知 \(\cfrac{2}{S_{n}}+\cfrac{1}{b_{n}}=2\)

就只剩下有关 \(b_n\) 类的表达式,从而容易达到证明的目的。

(2). 求 \(\{a_{n}\}\) 的通项公式.

解析:由 (1) 可知, \(b_n=\cfrac{3}{2}+(n-1)\times\cfrac{1}{2}=\cfrac{n+2}{2}\)

将其代入已知 \(\cfrac{2}{S_{n}}+\cfrac{1}{b_{n}}=2\) 替换 \(b_n\) 得到,

\(\cfrac{2}{S_{n}}+\cfrac{2}{n+2}=2\) ,解得 \(S_n=\cfrac{n+2}{n+1}\)

[题记:接下来,利用 \(a_n\)\(S_n\) 的关系求解 \(a_n\) ,就成了常规的数列求通项公式问题了]

\(n\geqslant 2\) 时, \(a_n=S_n-S_{n-1}=\cfrac{n+2}{n+1}-\cfrac{n+1}{n}=-\cfrac{1}{n(n+1)}\)

\(n=1\) 时, \(a_1=S_1=\cfrac{3}{2}\) ,不符合上式,

\(\{a_{n}\}\) 的通项公式为 \(a_n=\left\{\begin{array}{l}\cfrac{3}{2},&n=1\\-\cfrac{1}{n(n+1)},&n\geqslant2\end{array}\right.\)

posted @ 2021-06-13 10:20  静雅斋数学  阅读(770)  评论(1编辑  收藏  举报
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