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数学
题目

设 f(x) = (1-x cdot 2^1-x)/((2-x)(1-x)) (x neq 1, 2),若 f(x) 在 [1, 2] 上连续,则 f(1)f(2) = _____。

设 $f(x) = \frac{1-x \cdot 2^{1-x}}{(2-x)(1-x)} (x \neq 1, 2)$,若 $f(x)$ 在 $[1, 2]$ 上连续,则 $f(1)f(2) = \_\_\_\_\_$。

题目解答

答案

我们被给出一个函数:

$f(x) = \frac{1 - x \cdot 2^{1 - x}}{(2 - x)(1 - x)}, \quad x \neq 1, 2$

并被告知:$ f(x) $ 在区间 $[1, 2]$ 上连续。问题是:求 $ f(1)f(2) = \, ? $

第一步:理解题意

函数 $ f(x) $ 在 $ x = 1 $ 和 $ x = 2 $ 处没有定义,但题目说它在区间 $[1, 2]$ 上连续。这意味着虽然 $ f(x) $ 在 $ x = 1 $ 和 $ x = 2 $ 处没有定义,但可以通过极限的方式连续延拓这两个点,使得函数在这些点也连续。

所以我们要分别求:

  • $ f(1) = \lim_{x \to 1} f(x) $
  • $ f(2) = \lim_{x \to 2} f(x) $

然后计算乘积 $ f(1)f(2) $。

第二步:求 $ f(1) = \lim_{x \to 1} f(x) $

我们来看:

$f(x) = \frac{1 - x \cdot 2^{1 - x}}{(2 - x)(1 - x)}$

当 $ x \to 1 $ 时,分子和分母都趋近于 0,所以是一个 $ \frac{0}{0} $ 型极限,可以用洛必达法则或展开法求解。

方法一:使用洛必达法则

先设:

$f(x) = \frac{N(x)}{D(x)} = \frac{1 - x \cdot 2^{1 - x}}{(2 - x)(1 - x)}$

我们先求导数:

  • 分子:$ N(x) = 1 - x \cdot 2^{1 - x} $

    对 $ x $ 求导:

    $N'(x) = - \left[ 2^{1 - x} + x \cdot 2^{1 - x} \cdot \ln 2 \cdot (-1) \right] = -2^{1 - x} + x \cdot 2^{1 - x} \ln 2$

    提取公因式:

    $N'(x) = 2^{1 - x} (x \ln 2 - 1)$

  • 分母:$ D(x) = (2 - x)(1 - x) = -x^2 + 3x - 2 $

    对 $ x $ 求导:

    $D'(x) = -2x + 3$

所以:

$f'(x) = \frac{2^{1 - x}(x \ln 2 - 1)}{-2x + 3}$

代入 $ x = 1 $:

  • 分子:$ 2^{1 - 1}(1 \cdot \ln 2 - 1) = 1 \cdot (\ln 2 - 1) $
  • 分母:$ -2 \cdot 1 + 3 = 1 $

所以:

$f(1) = \lim_{x \to 1} f(x) = \frac{\ln 2 - 1}{1} = \ln 2 - 1$

第三步:求 $ f(2) = \lim_{x \to 2} f(x) $

同样,我们代入 $ x = 2 $,看看是否为 $ \frac{0}{0} $ 型:

  • 分子:$ 1 - 2 \cdot 2^{1 - 2} = 1 - 2 \cdot \frac{1}{2} = 1 - 1 = 0 $
  • 分母:$ (2 - 2)(1 - 2) = 0 \cdot (-1) = 0 $

所以是 $ \frac{0}{0} $ 型,继续使用洛必达法则。

我们已经知道:

$f'(x) = \frac{2^{1 - x}(x \ln 2 - 1)}{-2x + 3}$

代入 $ x = 2 $:

  • 分子:$ 2^{1 - 2}(2 \ln 2 - 1) = \frac{1}{2}(2 \ln 2 - 1) $
  • 分母:$ -2 \cdot 2 + 3 = -4 + 3 = -1 $

所以:

$f(2) = \lim_{x \to 2} f(x) = \frac{\frac{1}{2}(2 \ln 2 - 1)}{-1} = -\frac{1}{2}(2 \ln 2 - 1)$

第四步:计算 $ f(1)f(2) $

我们已经求出:

  • $ f(1) = \ln 2 - 1 $
  • $ f(2) = -\frac{1}{2}(2 \ln 2 - 1) $

所以:

$f(1)f(2) = (\ln 2 - 1) \cdot \left( -\frac{1}{2}(2 \ln 2 - 1) \right)$

我们展开:

$= -\frac{1}{2}(\ln 2 - 1)(2 \ln 2 - 1)$

我们计算括号内的乘积:

$(\ln 2 - 1)(2 \ln 2 - 1) = \ln 2 \cdot (2 \ln 2 - 1) - 1 \cdot (2 \ln 2 - 1)$

$= 2 (\ln 2)^2 - \ln 2 - 2 \ln 2 + 1 = 2 (\ln 2)^2 - 3 \ln 2 + 1$

所以:

$f(1)f(2) = -\frac{1}{2} \left( 2 (\ln 2)^2 - 3 \ln 2 + 1 \right)$

最终答案:

$\boxed{-\frac{1}{2} \left( 2 (\ln 2)^2 - 3 \ln 2 + 1 \right)}$

这是 $ f(1)f(2) $ 的精确值。

解析

考查要点:本题主要考查函数在某点连续的定义及极限的计算,特别是利用洛必达法则处理未定式极限的能力。

解题核心思路:
由于函数$f(x)$在$x=1$和$x=2$处原定义不成立(分母为零),但题目给出$f(x)$在闭区间$[1,2]$上连续,说明需通过极限定义$f(1)$和$f(2)$。因此,关键步骤是分别计算$\lim_{x \to 1} f(x)$和$\lim_{x \to 2} f(x)$,再求乘积。

破题关键点:

  1. 识别未定式类型:当$x \to 1$或$x \to 2$时,分子分母均趋近于0,属于$\frac{0}{0}$型,可使用洛必达法则。
  2. 正确求导:对分子和分母分别求导时,需注意链式法则和乘积法则的应用,避免计算错误。

求$f(1)$

当$x \to 1$时,分子$1 - x \cdot 2^{1-x} \to 0$,分母$(2-x)(1-x) \to 0$,属于$\frac{0}{0}$型,应用洛必达法则:

  1. 分子导数:
    $\frac{d}{dx}\left(1 - x \cdot 2^{1-x}\right) = -2^{1-x} + x \cdot 2^{1-x} \ln 2 = 2^{1-x}(x \ln 2 - 1)$
  2. 分母导数:
    $\frac{d}{dx}\left[(2-x)(1-x)\right] = -2x + 3$
  3. 代入$x=1$:
    $f(1) = \lim_{x \to 1} \frac{2^{1-x}(x \ln 2 - 1)}{-2x + 3} = \frac{2^{0}(\ln 2 - 1)}{1} = \ln 2 - 1$

求$f(2)$

当$x \to 2$时,分子$1 - x \cdot 2^{1-x} \to 0$,分母$(2-x)(1-x) \to 0$,仍为$\frac{0}{0}$型,继续应用洛必达法则:

  1. 分子导数(同上):
    $2^{1-x}(x \ln 2 - 1)$
  2. 分母导数(同上):
    $-2x + 3$
  3. 代入$x=2$:
    $f(2) = \lim_{x \to 2} \frac{2^{1-x}(x \ln 2 - 1)}{-2x + 3} = \frac{2^{-1}(2 \ln 2 - 1)}{-1} = -\frac{1}{2}(2 \ln 2 - 1)$

计算$f(1)f(2)$

将$f(1)$和$f(2)$代入乘积:
$\begin{aligned}f(1)f(2) &= (\ln 2 - 1) \cdot \left(-\frac{1}{2}(2 \ln 2 - 1)\right) \\&= -\frac{1}{2} \left[(\ln 2 - 1)(2 \ln 2 - 1)\right] \\&= -\frac{1}{2} \left[2 (\ln 2)^2 - 3 \ln 2 + 1\right]\end{aligned}$

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