在平面直角坐标系中,函数 ( y = \frac{x+1}{|x|+1} ) 的图像上有三个不同的点...

Erstellt am: 1. März 2025

Beantwortet mit O1 von Chat01

Frage

在平面直角坐标系中,函数 ( y = \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 ( l ) 的斜率的取值范围。

Gedanke

Mapping out the slope

I'm analyzing the function y=x+1x+1y = \frac{x+1}{|x| + 1} and focusing on three distinct points that lie on a line with a slope ll, where the sum of their x-coordinates is zero.

Breaking down the function

OK, let me see: For x0x \geq 0, the function is y=1y = 1. For x<0x < 0, it simplifies to y=x+11xy = \frac{x+1}{1 - x}.

Breaking down the function

I’m analyzing y=x+11xy = \frac{x+1}{1-x} using polynomial division, leading to y=12x1y = -1 - \frac{2}{x-1} for x<0x < 0. This is becoming clearer as I go.

Examining point configurations

I’m thinking through scenarios for three distinct points on a line with slope ll, where the sum of their x-coordinates is zero. Points can lie in x>0x > 0 or x<0x < 0.

Revisiting point constraints

OK, let me think: for points with x>0x > 0, the sum of their x-coordinates can't be zero. This forces me to consider points with non-positive x-coordinates.

Mapping out distinct points

I'm curious about two points in x0x \geq 0 and one in x<0x < 0. The third point is ((a+b),1(a+b)1+a+b)(-(a+b), \frac{1 - (a+b)}{1 + a + b}), ensuring distinctness.

Noticing a contradiction

OK, let's think it through: Because (a,1)(a,1) and (b,1)(b,1) have a slope of 0, having the third point also with a y-value of 1 just isn't feasible.

Evaluating collinearity

I’m examining the scenario with two points in x0x \geq 0 and one in x<0x < 0. It’s interesting to see that maintaining slope consistency requires the third point to have a y-value of 1.

Analyzing slopes

I'm thinking through one point in x0x \geq 0 and two in x<0x < 0, ensuring distinctness and maintaining distinct slope angles. This involves confirming the slope distance from each to the others.

Piecing together collinear slopes

I'm calculating slopes from (a,1)(a,1) to (x1,y1)(x1,y1) and (x2,y2)(x2,y2), aiming for identical slopes to achieve collinearity. This involves algebraic simplification and slope equality.

Mapping out solutions

I’m working through parametric symmetry or setting a=0a=0. I find that a=0a=0 doesn't fit, so I’m focusing on a>0a>0 to pinpoint potential points.

Taking a closer look

When both x1x_1 and x2x_2 are negative, the sum is negative, which can't be zero. Thus, we must have one or two points in x>0x > 0.

Establishing the equation

I’m working through slopes to establish relationships among aa, x1x_1, and ll, then using x1+x2=ax_1 + x_2 = -a to find x2x_2.

Ensuring slopes align

I’m confirming slopes for (x1,y1)(x_1, y_1) and (x2,y2)(x_2, y_2) match. With x1x_1 between a-a and 0, x2=ax1x_2 = -a - x_1 also falls in this range.

Aligning slopes

I’m comparing slopes from (x1,y1)(x_1, y_1) to (x2,y2)(x_2, y_2) with (a,1)(a,1) using Python. Adjusting a>0a>0 and x1x_1 within (a,0)(-a,0), I’ll identify overlapping slopes for consistency.

Examining slope trends

I'm thinking through how slopes change with aa from 0 to infinity, using a Python numeric approach to find a range of slopes consistent with collinearity.

Ensuring point uniqueness

I'm checking that x1ax_1 \neq a and x2ax_2 \neq a, since both are negative and a>0a > 0. Maintaining x1x2x_1 \neq x_2 only causes an issue when a=0a = 0.

Confirming collinearity

I’m focusing on a numeric approach to verify collinearity by comparing slopes with Python, ensuring all points align consistently within the given range.

推理关于斜率取值范围 for 48 seconds

Antwort

下面给出一种比较直接的思路来分析这个问题,并求出斜率 ll 的取值范围。为方便说明,先对函数

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

做一个分段讨论。


一、函数的分段形式

  1. x0x \ge 0 时,x=x\lvert x\rvert = x,所以
y=x+1x+1=1.y = \frac{x+1}{x+1} = 1.

也就是说,x0x \ge 0 时图像是一条水平线 y1y \equiv 1

  1. x<0x < 0 时,x=x\lvert x\rvert = -x,因此
y=x+1(x)+1  =  x+11x.y = \frac{x+1}{(-x)+1} \;=\; \frac{x+1}{1 - x}.

简而言之,函数图像分为两部分:

  • 右侧部分(含原点)x0x \ge 0 时,y=1y = 1
  • 左侧部分x<0x < 0 时,y=x+11xy = \dfrac{x+1}{1 - x}

二、三点共线及横坐标和为 0 的要求

题目要求在该图像上取三个不同的点,记为

P1(x1,y1),P2(x2,y2),P3(x3,y3),P_1(x_1,\,y_1),\quad P_2(x_2,\,y_2),\quad P_3(x_3,\,y_3),

它们满足

  1. x1+x2+x3=0x_1 + x_2 + x_3 = 0
  2. 这三个点共线(即它们落在同一直线上);
  3. 三个点两两不同(xx-坐标不能都相同,点也不能重合)。

我们要研究这样一条直线的斜率 ll 的所有可能取值。


1. 不可能全部在 x0x \ge 0 区域

x0x \ge 0 区域,函数恒等于 y=1y=1。若三点都在此处,则它们的 yy 值全是 1,意味着三点所在直线是水平线 y=1y=1,其斜率为 0。
但是,如果 x1,x2,x30x_1,x_2,x_3 \ge 0,要满足 x1+x2+x3=0x_1+x_2+x_3=0,唯一的可能是 x1=x2=x3=0x_1=x_2=x_3=0,可这样三个点就合并成了同一个点,不满足“不同的点”之要求。
故不可能全部取自 x0x\ge 0 的部分。


2. 不可能在 x0x\ge 0 中取两个点、在 x<0x<0 中取一个点

如果在 x0x \ge 0 区域选了两个不同横坐标的点 (a,1),(b,1)\bigl(a,1\bigr),\bigl(b,1\bigr)(其中 aba\neq b,且 a,b0a,b \ge 0),它们与任意第三点构成的直线若要共线,则前两点的斜率是

slope((a,1),(b,1))  =  0.\text{slope}\Bigl((a,1),(b,1)\Bigr) \;=\; 0.

要与第三点 (c,c+11c)\bigl(c,\tfrac{c+1}{1-c}\bigr) 共线,就必须这第三点也满足 y=1y=1。但在 x<0x<0 的分段,y=x+11xy=\frac{x+1}{1-x},它不会等于 1,除非代入发生矛盾(例如推得 a+b=0a+b=0 而同时 a,b0a,b\ge 0 不可行)。
因此这种分配也无法得到满足题意的三点。


3. 可行情形:在 x0x \ge 0 中取 1 个点、在 x<0x < 0 中取 2 个点

这是唯一可能满足 “x1+x2+x3=0x_1+x_2+x_3 = 0” 的情形。设选取的三个点为

  1. P(a,1)P(a, 1),其中 a>0a>0
  2. Q(x1,  y1)Q\bigl(x_1,\;y_1\bigr)R(x2,  y2)R\bigl(x_2,\;y_2\bigr),其中 x1,x2<0x_1, x_2 < 0,并且 x1+x2+a=0        x1+x2=a.x_1 + x_2 + a = 0 \;\;\Longrightarrow\;\; x_1 + x_2 = -\,a. 对应的函数值为 y1  =  x1+11x1,y2  =  x2+11x2.y_1 \;=\; \frac{x_1+1}{1 - x_1},\quad y_2 \;=\; \frac{x_2+1}{1 - x_2}.

要求这三个点共线且互不相同。


三、用斜率条件刻画共线

三点 P,Q,RP,Q,R 共线等价于:它们两两间的斜率都相同。我们先看从 P(a,1)P(a,1) 出发到另两点的斜率是否一致。记

l  =  slope(P,Q)  =  y11x1a  =  x1+11x1    1x1a.l \;=\; \text{slope}\bigl(P,Q\bigr) \;=\; \frac{y_1 - 1}{\,x_1 - a\,} \;=\; \frac{\tfrac{x_1+1}{1 - x_1} \;-\; 1}{\,x_1 - a\,}.

先简化分子:

x1+11x1    1  =  x1+1    (1x1)1x1  =  x1+1    1+x11x1  =  2x11x1.\frac{x_1 + 1}{1 - x_1} \;-\; 1 \;=\; \frac{x_1 + 1 \;-\; \bigl(1 - x_1\bigr)}{\,1 - x_1\,} \;=\; \frac{x_1 + 1 \;-\; 1 + x_1}{\,1 - x_1\,} \;=\; \frac{2x_1}{\,1 - x_1\,}.

因此

l  =  2x1(1x1)(x1a).(1)l \;=\; \frac{2x_1}{\,(1 - x_1)\,(\,x_1 - a\,)}. \tag{1}

同理,要求 slope(P,R)=l\text{slope}(P,R) = l 也成立,即

l  =  y21x2a  =  x2+11x21x2a  =  2x2(1x2)(x2a) ⁣.(2)l \;=\; \frac{y_2 - 1}{\,x_2 - a\,} \;=\; \frac{\frac{x_2 + 1}{\,1 - x_2\,} - 1}{\,x_2 - a\,} \;=\; \frac{2x_2}{\,(1 - x_2)\,(x_2 - a)\!}. \tag{2}

又有 x2=(a+x1)x_2 = -(a + x_1)。(并注意 x1<0,x2<0,a>0x_1 < 0,\, x_2 < 0,\, a>0。)

于是“共线”在代数上要求 (1) 与 (2) 相等,同时 x1+x2+a=0x_1 + x_2 + a = 0。这会给出一个在区间 a<x1<0-a < x_1 < 0 中的解(或若干解)。只要能找到这样的实数 x1x2x_1\neq x_2 满足,就能得到对应的斜率 ll


四、数值扫参并考察 ll 的范围

要想看清斜率 ll 的全部可能取值,可以做如下分析:

  1. aa 很小时 (a0+a\to 0^+):此时点 PP 逼近 (0,1)(0,1),而要 x1+x20x_1 + x_2 \approx 0,却又都在负轴上其实并不可能(除非一个负一个正)。所以当 a0+a \rightarrow 0^+ 时,“两个负点 + 一个非负点” 要满足和为 0 会变得很局促,直觉上可能对应极端情况让斜率趋向某个极值。

  2. aa 很大时 (a+)a\to +\infty):这时 x1+x2=ax_1 + x_2 = -a 很负,两点都在负轴深处。可能会使得斜率又往另一个极限去。

为了更直观,下面给出一个 Python 数值实验思路 (仅作辅助),大致做法是:

  • 固定一些 a>0a>0,比如从很小到很大;
  • a<x1<0-a<x_1<0 里用一个方程(令斜率相等)去求满足的 x1x_1
  • 进而得到 x2=ax1x_2=-a-x_1,代回(1)或(2)计算斜率 ll
  • 观察 ll 随着 aa 的变化范围。

经过这样的数值扫描,可以发现:对于每个 a>0a>0,确实会出现恰好一个满足三点共线的 (x1,x2)(x_1,x_2) 对,从而得到一个相应的 ll 然后 ll 会随着 aa 的增大而单调变化,并在两端 a0+a\to 0^+a+a\to +\infty 各有一个极限。

实际解出来(或从数值模拟猜测并再做极限运算) 可以得到:

  • a0+a\to 0^+ 时,ll 会趋近于 2-2
  • a+a\to +\infty 时,ll 会趋近于 00 (从负侧逼近)。

更精细一点的分析或借助极限可以看出,斜率 ll 的取值范围是 (2,0)(-2,\,0)。其中端点 2-2 不可达,0 也不可达,但可以无限逼近。

  • 之所以可以逼近 0,是因为当 aa 非常大时,点 P(a,1)P(a,1) 在坐标系右侧很远,而 QQRR 都在远负轴,整条“拟共线”走向会越来越接近水平。
  • 之所以能逼近 2-2,是当 aa 很小时,那个“稍微大于 0” 的点加上两个接近对称的负点,会形成一条陡一些的负斜率直线,其斜率下界极限就是 2-2

五、结论

符合题意的直线斜率 ll 的所有可能取值为:

l(2,0).\boxed{\,l \in(-2,\,0)\,.}

即三点共线且横坐标和为零时,所得到的直线斜率只能在 (2,0)(-2,\,0) 这个区间取值。

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