设 $x_{1},x_{2}$ 是 $f(x)=\dfrac{a}{3}x^{3}+\dfrac{b-1}{2}x^{2}+x(a,b\in\mathbb R,a>0)$ 的两个极值点,$f'(x)$ 是 $f(x)$ 的导函数.
【难度】
【出处】
【标注】
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    微积分初步
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    利用导数研究函数的性质
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    利用导数研究函数的极值
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    导数问题中的技巧
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    参数的转化
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    利用导数研究函数的性质
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    利用导数研究函数的最值
  1. 如果 $x_{1}<2<x_{2}<4$,求 $f'(-2)$ 的取值范围;
    标注
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      利用导数研究函数的极值
    答案
    $(3,+\infty)$
    解析
    对 $f(x)$ 求导可得$$f'(x)=ax^{2}+(b-1)x+1,$$由题意 $x_{1},x_{2}$ 是方程 $f'(x)=0$ 的两根.
    由 $x_{1}<2<x_{2}<4$,且 $a>0$ 得$$\begin{cases}f'(2)<0,\\ f'(4)>0,\end{cases}$$即$$\begin{cases}4a+2b-1<0,\\ 16a+4b-3>0.\end{cases}$$由该不等式组所表示的平面区域可求得$$4a-2b>0,$$因为$$\begin{split}f'(2)&=4a-2(b-1)+1\\ &=4a-2b+3,\end{split}$$故\[f'(-2)=4a-2b+3>3,\]所以 $f'(-2)$ 的取值范围是 $(3,+\infty)$.
  2. 如果 $0<x_{1}<2$,$x_{2}-x_{1}=2$,求证:$b<\dfrac{1}{4}$.
    标注
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      参数的转化
    答案
    解析
    方程 $ax^{2}+(b-1)x+1=0$ 的两根为 $x_{1},x_{2}$,由根与系数的关系得$$\begin{cases}x_{1}+x_{2}=-\dfrac{b-a}{a},\\ x_{1}x_{2}=\dfrac{1}{a},\end{cases}$$由于 $x_{1}x_{2}\ne 0$,两式相除得\[-(b-1)=\dfrac{x_{1}+x_{2}}{x_{1}x_{2}}=\dfrac{1}{x_{1}}+\dfrac{1}{x_{2}},\]即$$b=-\dfrac{1}{x_{1}}-\dfrac{1}{x_{2}}+1.$$由条件 $x_{2}=x_{1}+2$ 可得$$b=\varphi(x_{1})=-\dfrac{1}{x_{1}}-\dfrac{1}{x_{1}+2}+1,$$易知当 $x_{1}\in(0,2)$ 时,$$\varphi(x_{1})<\varphi(2)=\dfrac{1}{4},$$故 $b$ 的取值范围是 $\left(-\infty,\dfrac{1}{4}\right)$,得证.
  3. 如果 $a\geqslant 2$,且 $x_{2}-x_{1}=2$,$x\in (x_{1},x_{2})$ 时,函数 $g(x)=-f'(x)+2(x_{2}-x)$ 的最大值为 $h(a)$,求 $h(a)$ 的最小值.
    标注
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      利用导数研究函数的最值
    答案
    解析
    因为 $f'(x)=0$ 的两根是 $x_{1},x_{2}$,故可设 $f'(x)=a(x-x_{1})(x-x_{2})$,所以\[\begin{split}g(x)&=-f'(x)+2(x_{2}-x_{1})\\ &=-a(x-x_{1})(x-x_{2})+2(x_{2}-x)\\ &=a(x_{2}-x)\left(x-x_{1}+\dfrac{2}{a}\right),\end{split}\]由于 $x\in(x_{1},x_{2})$,因此$$x_{2}-x>0 , x-x_{1}>0,$$又 $a\geqslant 2$,可知$$x-x_{1}+\dfrac{2}{a}>0,$$故\[\begin{split}g(x)&=a(x_{2}-x_{1})\left(x-x_{1}+\dfrac{2}{a}\right)\\&\leqslant a\left[\dfrac{(x_{2}-x)+\left(x-x_{1}+\dfrac{2}{a}\right)}{2}\right]^{2}\\&=a\left(1+\dfrac{1}{a}\right)^{2}\\&=a+\dfrac{1}{a}+2,\end{split}\]当且仅当 $x_{2}-x=x-x_{1}+\dfrac{2}{a}$,即 $x=x_{1}+1-\dfrac{1}{a}$ 时取等号.
    所以 $h(a)=a+\dfrac{1}{a}+2$,$a\in[2,+\infty)$.
    当 $a\in(2,+\infty)$ 时,$$h'(a)=1-\dfrac{1}{a^{2}}>0,$$所以 $h(a)$ 在 $(2,+\infty)$ 内是增函数,又因为 $h(a)$ 在 $[2,+\infty)$ 上连续,故 $h(a)$ 在 $[2,+\infty)$ 上是增函数,所以$$h(a)_{\min}=h(2)=\dfrac{9}{2}.$$
题目 问题1 答案1 解析1 备注1 问题2 答案2 解析2 备注2 问题3 答案3 解析3 备注3
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