2022 新高考Ⅱ卷 - 第03题 (单选题)

等差数列应用与建筑数学建模
前置知识回顾:公式与定理 (点击展开)
  • 等差数列通项性质: 若数列 \( \{k_n\} \) 为等差数列,公差为 \( d \),则 \( k_1 = k_3 - 2d \),\( k_2 = k_3 - d \)。
  • 斜率与步架结构定义: 建筑总举高为各段举高之和,总水平距离为各段步长之和,直线的斜率等于总高度除以总宽度:\( k = \frac{\Delta y}{\Delta x} \)。

3. 图 1 是中国古代建筑中的举架结构,\( AA', BB', CC', DD' \) 是桁,相邻桁的水平距离称为步,垂直距离称为举,图 2 是某古代建筑屋顶截面的示意图.其中 \( DD_1, CC_1, BB_1, AA_1 \) 是举,\( OD_1, DC_1, CB_1, BA_1 \) 是相等的步,相邻桁的举步之比分别为 \( \frac{DD_1}{OD_1} = 0.5, \frac{CC_1}{DC_1} = k_1, \frac{BB_1}{CB_1} = k_2, \frac{AA_1}{BA_1} = k_3 \).已知 \( k_1, k_2, k_3 \) 成公差为 \( 0.1 \) 的等差数列,且直线 \( OA \) 的斜率为 \( 0.725 \),则 \( k_3 = \) (  )

  • A. 0.75
  • B. 0.8
  • C. 0.85
  • D. 0.9
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思路与规范推导

破题思路全景图

设每步水平长度为 1,则总水平跨度为 4
用 k₃ 与公差 0.1 表示各级举步比:k₁ = k₃ - 0.2,k₂ = k₃ - 0.1
累加总举高:H_A = 0.5 + (k₃ - 0.2) + (k₃ - 0.1) + k₃ = 3k₃ + 0.2
由直线 OA 斜率列方程:(3k₃ + 0.2) / 4 = 0.725 解出 k₃ = 0.9 选 D

最优解法深度剖析

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【解析详解】

不妨设相等的步长为基准单位 1,即 \( OD_1 = DC_1 = CB_1 = BA_1 = 1 \)。

则点 \( A \) 的总水平坐标为:\( x_A = 1 + 1 + 1 + 1 = 4 \)。

因为 \( k_1, k_2, k_3 \) 成公差为 \( 0.1 \) 的等差数列,所以可将 \( k_1, k_2 \) 统一用 \( k_3 \) 表达:

\[ k_2 = k_3 - 0.1, \quad k_1 = k_3 - 2 \times 0.1 = k_3 - 0.2 \]

各级举高分别为:\( DD_1 = 0.5 \times 1 = 0.5 \),\( CC_1 = k_1 \),\( BB_1 = k_2 \),\( AA_1 = k_3 \)。

因此顶点 \( A \) 的总垂直高度为 4 段举高的累加和:

\[ y_A = DD_1 + CC_1 + BB_1 + AA_1 = 0.5 + (k_3 - 0.2) + (k_3 - 0.1) + k_3 = 3k_3 + 0.2 \]

根据直线 \( OA \) 的斜率定义:

\[ k_{OA} = \frac{y_A - y_O}{x_A - x_O} = \frac{3k_3 + 0.2}{4} = 0.725 \]

去分母解一元一次方程:

\[ 3k_3 + 0.2 = 4 \times 0.725 = 2.90 \implies 3k_3 = 2.70 \implies k_3 = 0.9 \]

故选 D

干扰项排雷

误选 B 或 C: 漏算了第一段初始举高 0.5,或者把步长总数算成了 3 段。

误选 A: 等差数列通项公差方向搞反,写成了 \( k_1 = k_3 + 0.2 \)。

最终答案核对

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正确答案:D

核心模型与结论

中国古代数学文化建筑建模模型:把古代工程术语“步”(横坐标增量)和“举”(纵坐标增量)精准对应为平面直角坐标系的 \( \Delta x \) 和 \( \Delta y \)。

易错警示与避坑

漏加基础高 0.5!第一桁到地面的垂直距离 \( DD_1 = 0.5 \) 是常数项,很多同学漏掉导致列方程失败。

高分技法与秒杀

等差中项快速求和:后三项和为 \( 3k_2 \)。故总高 \( H = 0.5 + 3k_2 = 4 \times 0.725 = 2.9 \implies 3k_2 = 2.4 \implies k_2 = 0.8 \)。公差为 0.1,直接 \( k_3 = k_2 + 0.1 = 0.9 \),心算 15 秒锁定 D!

诊断与进阶指南

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