直线斜率取值范围

Erstellt am: 12. Januar 2025

Beantwortet mit O1 von Chat01

Frage

在平面直角坐标系中,函数 y=x+1x+1y = \frac{x+1}{|x|+1} 的图像上有三个不同的点位于直线上,且这三点的横坐标之和为 0。求直线 (1)(1) 的斜率的取值范围。

Gedanke

Analyzing function behavior

I'm looking at the function y=x+1x+1y = \frac{x+1}{|x|+1} to see if a line passes through three distinct points with their x-coordinates summing to zero. This leads me to explore the slope possibilities.

Mapping the function

Breaking down y=x+1x+1y = \frac{x+1}{|x|+1} into two cases: for x0x \ge 0, y=1y = 1; and for x<0x < 0, y=x+11xy = \frac{x+1}{1-x}.

Charting the curve

For x<0x < 0, I’m analyzing y=x+11xy = \frac{x+1}{1-x}. Calculating specific values and observing limits to understand the function's behavior better.

Piecing together intersections

Considering a line y=kx+by = kx + b that intersects y=1y = 1 for x0x \geq 0 and y=x+11xy = \frac{x+1}{1-x} for x<0x < 0.

Finding intersections

I’m hypothesizing that to achieve three distinct intersections, the line slopes in a way that it intersects y=x+11xy = \frac{x+1}{1-x} at two points for x<0x < 0 and y=1y = 1 for x0x \geq 0.

Solving quadratic equations

I'm working through the quadratic equation mx2+x(1m+c)+(1c)=0m x^2 + x(1 - m + c) + (1 - c) = 0 to ensure distinct negative solutions for x<0x < 0.

Ensuring intersection validity

I’m confirming the discriminant is positive and both x-values for x<0x < 0 are negative. Checking the sum of x-coordinates to ensure the balance of intersections is maintained.

Balancing equations

Ensuring the sum of the x-coordinates equals zero, I deduced that c=m2c = \frac{m}{2} by combining and simplifying terms from the quadratic equation.

Ensuring distinct intersections

I’m connecting c=m2c = \frac{m}{2} to maintain the sum of x-coordinates as zero. Now, I’m examining conditions on mm to ensure the intersections are distinct and valid.

Laying out the options

OK, I’m working through different cases: for m>0m > 0, 0<m<20 < m < 2. m<0m < 0 and m=0m = 0 lead to contradictions.

Confirming validity

I’m concluding that for the line to intersect in x>0x > 0, 0<m<20 < m < 2 holds true. Negative slopes and m=0m = 0 lead to contradictions.

Mapping intersections

I’m identifying the intersection points of the line y=mx+m2y = mx + \frac{m}{2} with y=x+11xy = \frac{x+1}{1-x}, ensuring they are distinct within x<0x < 0.

Piecing together the equation

I’m carefully simplifying the expression (1x)(x+1/2)(1-x)(x+1/2) to ensure all terms are combined correctly, aiming to solve for the intersections within x<0x < 0.

Simplifying the equation

I’m combining like terms to streamline the equation mx2+(1m/2)x+(1m/2)=0m x^2 + (1 - m/2) x + (1 - m/2)=0. This involves defining coefficients A=mA = m, B=(1m/2)B = (1 - m/2), and C=(1m/2)C = (1 - m/2).

Determining intersections

I’m ensuring two distinct real solutions for x<0x < 0 by checking the discriminant p(p4m)>0p(p - 4m) > 0. Noting that p=1m2p = 1 - \frac{m}{2} and pp is positive.

Ensuring progress

I'm combining inequalities to confirm m<29m < \frac{2}{9} to guarantee two distinct real solutions for x<0x < 0. This maintains positivity and leads to distinct intersections.

Confirming negative solutions

I’m piecing together the roots' sign. With a negative sum and positive product, it’s clear that the two distinct real solutions for x<0x < 0 are negative.

Piecing together intersections

I found that for 0<m<290 < m < \frac{2}{9}, the line intersects the function at three distinct points, balancing positive and negative x-coordinates and summing to zero.

Confirming intersection points

To achieve three distinct intersection points, the avenue between 0<m<290 < m < \frac{2}{9} remains open, showing distinct and valid intersections for both positive and negative xx-coordinates.

Finding the sweet spot

I’m focusing on 0<m<290 < m < \frac{2}{9} to ensure three unique intersections with the function, balancing positive and negative xx-coordinates perfectly.

Analyzing endpoints

I’m thinking about how the slope range 0<m<290 < m < \frac{2}{9} affects the intersections. For m=0m = 0, the line y=0y = 0 only intersects at x=1x = -1. For m=29m = \frac{2}{9}, I’m determining if it intersects the function at three distinct points and if it should be included in the range.

Thought about 函数图像与直线斜率 for 47 seconds

Antwort

下面给出一个比较系统的分析思路。结论先行:满足题意的直线斜率 kk 的取值范围是 0<k<290 < k < \tfrac{2}{9}


1. 函数的分段及其图像特征

题目中的函数

y=x+1x+1y = \frac{x+1}{|x|+1}

x0x\ge 0x<0x<0 时有不同的表达式。

  1. x0x \ge 0 时,x=x\lvert x\rvert = x

    y=x+1x+11.y = \frac{x+1}{x+1} \equiv 1.

    因而在 x0x \ge 0 的半轴上,图像是一条水平线 y=1y = 1

  2. x<0x < 0 时,x=x\lvert x\rvert = -x

    y=x+1x+1  =  x+11x.y = \frac{x+1}{-x+1} \;=\; \frac{x+1}{\,1 - x\,}.

    这是一个有理函数,定义域在 x<0x<0(注意 1x>01-x>0x<1x<1 均成立,这里更狭窄一些只关注 x<0x<0)。

于是,整条曲线由两部分组成:

  • 右半轴 (x0x\ge 0) 上是一条水平线 y=1y=1
  • 左半轴 (x<0x<0) 上是 y=x+11xy=\dfrac{x+1}{1-x} 的图像。

下文我们将讨论一条直线同时在这两部分上分别与函数曲线相交,从而获得 3 个不同交点的条件。


2. 直线与曲线相交三点、且横坐标和为 0 的条件

设所求直线为

L:  y=kx+b.L:\; y = kx + b.

题意要求它与函数图像有三个不同的交点,且这三个交点的 xx-坐标之和为 0。记这三个交点的横坐标分别为

x1,  x2,  x3,x_1,\; x_2,\; x_3,

并满足

x1+x2+x3=0.x_1 + x_2 + x_3 = 0.

由于函数在 x0x\ge 0 时退化成 y=1y=1 的水平线,要想得到三个不同交点,最自然的分布是:

  • 左半轴 x<0x<0 的那支 y=x+11xy=\tfrac{x+1}{1-x} 上得到 2 个交点;
  • 右半轴 x>0x>0 的那支 y=1y=1 上得到 1 个交点。

下面分两步进行分析。


2.1 与右半轴部分 (y=1,x0)\bigl(y=1,\,x\ge 0\bigr) 的交点

x0x\ge 0 区域,曲线是 y=1y=1。要想在该区域得到一个交点,且保证 x>0x>0(而不是 x=0x=0 处),我们令

1  =  kx+b.1 \;=\; kx + b.

解得

x=1bk,x = \frac{1 - b}{\,k\,},

要想 x>0x>0,就需要

1bk  >  0.\frac{1 - b}{\,k\,} \;>\; 0.

后面会看到,为了满足「三个交点的 xx-坐标和为 0」,会给出 bbkk 的关系,从而也能筛选出 kk 的范围。


2.2 与左半轴部分 (y=x+11x,x<0)\bigl(y=\tfrac{x+1}{1-x},\,x<0\bigr) 的交点

x<0x<0 时,曲线满足

y=x+11x.y=\frac{x+1}{1-x}.

将直线 y=kx+by=kx+b 代入,需解方程

x+11x  =  kx+b.\frac{x+1}{1-x} \;=\; kx + b.

这相当于

x+11x(kx+b)=0.\frac{x+1}{1-x} - \bigl(kx + b\bigr) = 0.

只要这个方程在 x<0x<0 上恰好有 2 个不同实根,我们就能在左侧分支得到 2 个不同的交点。


2.3 横坐标和为 0 引入的条件

设左半轴的两个交点分别为 x1,x2x_1,x_2(都 < 0),右半轴的那个交点为 x3>0x_3>0。题意要求

x1+x2+x3=0        x3=(x1+x2).x_1 + x_2 + x_3 = 0 \;\;\Longrightarrow\;\; x_3 = -\bigl(x_1 + x_2\bigr).

x3>0x_3>0 正好意味着

x1+x2<0,x_1 + x_2 < 0,

这在「两个根都为负」时本就会发生。不过,更直接的做法是:
把在右半轴处求出的那个 x3x_3 用“直线方程+函数方程”联立的方式同左侧两根之和做捆绑。

具体做法如下:

  • 右侧交点:1=kx+b1 = kx + b,即 x3=1bkx_3 = \tfrac{1-b}{\,k}
  • 左侧两根:若它们是 x1,x2x_1, x_2,则由一元二次方程的根与系数关系可求出 x1+x2x_1 + x_2
  • 最后令 x1+x2+x3=0x_1 + x_2 + x_3 = 0 得到对 bbkk 的约束。

下面我们把它做具体展开。


3. 由「和为 0」推出 b=k2b=\tfrac{k}{2}

先不分左右,纯粹地写出「三点和为 0」给直线方程带来的关系。记那三点的 xx-坐标仍为 x1,x2,x3x_1,x_2,x_3。我们知道:

  • 对应左半轴那支 (y=x+11x)\bigl(y=\tfrac{x+1}{1-x}\bigr) 的两个解 x1,x2x_1,x_2,它们满足 x1+x2  =  BA,x1x2  =  CA,x_1 + x_2 \;=\; -\frac{B}{A},\quad x_1 x_2 \;=\; \frac{C}{A}, 这取决于把方程化为标准的「Ax2+Bx+C=0Ax^2 + Bx + C=0」之后的系数 A,B,CA,B,C
  • 对应右半轴那支 (y=1)(y=1) 的那个解满足 kx3+b=1kx_3 + b=1,即 x3=1bkx_3 = \tfrac{1-b}{\,k}

题目要求

x1+x2+x3=0.x_1 + x_2 + x_3 = 0.

若把求出的 x1+x2x_1+x_2x3x_3 相加为 0,往往能解出 bbkk 的一个简单线性关系。事实上,最后会发现

b  =  k2b \;=\; \frac{k}{2}

是使得「三解 x1,x2,x3x_1,x_2,x_3 的和为 0」的唯一可能(且能满足“在两端都有交点”)的关系。下面就带着 b=k2b=\tfrac{k}{2} 回到两个分支去检验:

  • 能否在 x<0x<0 得到两 distinct(不重根) 解;
  • 能否在 x>0x>0 得到一 distinct 解;
  • 并据此找出 kk 的范围。

4. 代入 b=k2b=\frac{k}{2} 后的求解

4.1 右侧交点落在 x>0x>0 的条件

b=k2b=\tfrac{k}{2},则右侧交点来自

1  =  kx+k2.1 \;=\; kx + \frac{k}{2}.

解得

x=1k2k=2k2k.x = \frac{1 - \tfrac{k}{2}}{\,k\,} = \frac{\,2 - k\,}{\,2k\,}.

要使此交点的 xx-坐标大于 0,须

2k2k  >  0.\frac{\,2 - k\,}{\,2k\,} \;>\; 0.

这分两种情况讨论「分子、分母同号」:

  1. k>0k>0,则要求分子 2k>02 - k>0,即 k<2.k < 2. 因而当 0<k<20<k<2 时,右侧确实有一个 x>0x>0 的交点。
  2. k<0k<0,要使分子 2k<02-k<0k>2k>2 才能同负 kk 同号,显然这和 k<0k<0 自相矛盾,所以无解。

由此可见,若想在 x>0x>0 上有一个交点,必须 0<k<20<k<2


4.2 左侧二次方程有两个负根的条件

同样把 b=k2b=\tfrac{k}{2} 代入左侧方程

x+11x=kx+b  =  kx+k2.\frac{x+1}{1-x} = kx + b \;=\; kx + \frac{k}{2}.

移项并乘通分母 (1x)(1-x),可得(下文直接给出整理后的结果):

kAx2  +  (1k2)Bx  +  (1k2)C  =  0.\underbrace{k}_{A} \,x^2 \;+\;\underbrace{\Bigl(1 - \tfrac{k}{2}\Bigr)}_{B}\,x \;+\;\underbrace{\Bigl(1 - \tfrac{k}{2}\Bigr)}_{C} \;=\;0.

为方便记忆,可令

p  =  1k2.p \;=\; 1 - \frac{k}{2}.

那么上式就写作

kx2+px+p=0.k\,x^2 + p\,x + p = 0.

要想有两个不同实根,判别式须大于 0:

Δ=p2    4kp=p(p4k)>0.\Delta = p^2 \;-\;4\,k\,p = p\bigl(p - 4k\bigr) > 0.

又因为我们后面还需要这两个根都在 x<0x<0,分两步看:

  1. p>0p>0
    p=1k2p=1-\tfrac{k}{2} 可得 p>0    k<2p>0 \iff k<2。这跟上节 0<k<20<k<2 也相符合。
    在此前提下,Δ>0\Delta>0 进一步要求

    p4k  >  0        1k2    4k>0        19k2>0        k<29.p - 4k \;>\;0 \;\;\Longrightarrow\;\; 1 - \frac{k}{2} \;-\;4k >0 \;\;\Longrightarrow\;\; 1 - \frac{9k}{2} >0 \;\;\Longrightarrow\;\; k < \frac{2}{9}.

    因而要想二次方程有两 distinct 实根,必须

    0<k<29.0 < k < \frac{2}{9}.
  2. 两个根都 < 0

    • 根的和:x1+x2=BA=pk.\,x_1 + x_2 = -\tfrac{B}{A} = -\dfrac{p}{\,k\,}.
    • 根的积:x1x2=CA=pk.\,x_1 x_2 = \dfrac{C}{A} = \dfrac{p}{\,k\,}.

    0<k<290<k<\tfrac{2}{9} 时,p>0p>0k>0k>0,故 pk>0\tfrac{p}{k}>0。这样

    x1+x2=pk<0,x1x2=pk>0,x_1 + x_2 = -\frac{p}{\,k\,} <0, \quad x_1 x_2 = \frac{p}{\,k\,} >0,

    可见二根同号且和为负,只能说明二根都为负。

由此,只有在

0<k<290 < k < \frac{2}{9}

时,左半轴才会有两个互不相同的负根


4.3 综合得到的斜率 kk 取值范围

  • 要在 x>0x>0y=1y=1 有 1 个交点,需要 0<k<20<k<2
  • 要在 x<0x<0y=x+11xy=\tfrac{x+1}{1-x} 有 2 个不同负根,需要 0<k<290<k<\tfrac{2}{9}
  • 还要满足「三点 xx-坐标和为 0」则强迫 b=k2b=\tfrac{k}{2}

上面最严格的区间是

0<k<29.0 < k < \frac{2}{9}.

这正是题目所求「能使曲线上出现 3 个不同共线点,且它们横坐标之和为 0」时,该直线的斜率 kk 的取值范围


5. 是否需要考虑端点

  • k=0k=0 时,直线是 y=by=b,再由 b=k2=0b=\tfrac{k}{2}=0,得到 y=0y=0。它只会在左侧与 x+11x\tfrac{x+1}{1-x} 的图像相交于 x=1x=-1(且右侧 x0x\ge 0 没有交点)。
  • k=29k=\tfrac{2}{9} 时,左侧二次方程判别式 =0=0,出现重根,只能有 2 个交点(其中一个重复),不满足「3 个不同点」。

故端点一律排除,最终区间是开区间 (0,29)\bigl(0,\tfrac{2}{9}\bigr)


6. 答案

该直线的斜率 k 的取值范围是 0<k<29.\boxed{ \text{该直线的斜率 }k\text{ 的取值范围是 }0 < k < \frac{2}{9}. }

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