已知函数 $f\left(x\right) = {x^2} - \dfrac{2}{3}a{x^3}\left(a > 0\right)$,$x \in {\mathbb{R}}$.
【难度】
【出处】
【标注】
  1. 求 $f\left(x\right)$ 的单调区间和极值;
    标注
    答案
    单调递减区间为 $ \left( - \infty ,0\right)$,$ \left(\dfrac{1}{a}, + \infty \right) $;单调递增区间为 $\left(0,\dfrac{1}{a}\right)$;
    当 $ x = 0 $ 时,$ f\left(x\right) $ 的极小值为 $ 0 $;当 $ x = \dfrac{1}{a} $ 时,$ f\left(x\right) $ 取得极大值 $\dfrac{1}{{3{a^2}}}$.
    解析
    本题考查利用导数研究函数单调性和极值的问题,由于题中给定了 $a>0$ 的范围,所以不需要分类讨论,相对简单.函数 $f\left(x\right) $ 的导数为 $f'\left(x\right) = 2x - 2a{x^2}$.令 $ f'\left(x\right) = 0 $,则\[x = 0 或 x = \dfrac{1}{a}.\]因为 $ a > 0$,所以 $ f\left(x\right),f'\left(x\right) $ 随 $ x $ 变化情况如下表:\[\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|} \hline
    x & \left(- \infty ,0\right) & 0 & \left(0, \frac 1 a\right) & \frac 1 a & \left(\frac 1 a ,+ \infty\right) \\ \hline
    f'\left(x\right) & - & 0 & + & 0 & - \\ \hline
    f\left(x\right) & 单调递减 & 极小值0 & 单调递增 & 极大值 \frac{1}{3{a^2}} & 单调递减 \\ \hline \end{array}\]由表得 $ f\left(x\right) $ 的单调递减区间为 $ \left( - \infty ,0\right)$,$ \left(\dfrac{1}{a}, + \infty \right) $;单调递增区间为 $\left(0,\dfrac{1}{a}\right)$.
    当 $ x = 0 $ 时,$ f\left(x\right) $ 取得极小值为 $ 0 $;
    当 $ x = \dfrac{1}{a} $ 时,$ f\left(x\right) $ 取得极大值 $\dfrac{1}{{3{a^2}}}$.
  2. 若对于任意的 ${x_1} \in \left(2, + \infty \right)$,都存在 ${x_2} \in \left(1, + \infty \right)$,使得 $f\left({x_1}\right) \cdot f\left({x_2}\right) = 1$,求 $a$ 的取值范围.
    标注
    答案
    $ \left[\dfrac{3}{4},\dfrac{3}{2}\right] $
    解析
    本题中条件有两个量词,对这两个量词的正确理解是做题的关键.“任意的 ${x_1} \in \left(2, + \infty \right)$,都存在 ${x_2} \in \left(1, + \infty \right)$,使得 $f\left({x_1}\right) \cdot f\left({x_2}\right) = 1$”,这就要求 $f(x_1)\ne 0$,又因为函数在 $(2,+\infty)$ 上连续,故 $f(x_1)<0(x_1\in (2,+\infty))$.存在 $f(x_2)=\dfrac{1}{f(x_1)}$,所以要求它们的值域有包含关系.由 $ f\left(0\right)=f\left(\dfrac{3}{2a}\right)=0 $ 及(1)知,当 $x\in\left(0,\dfrac{3}{2a}\right) $ 时,$ f\left(x\right)>0 $;
    当 $ x\in \left(\dfrac{3}{2a},+\infty \right) $ 时,$ f\left(x\right)<0$.
    设集合 $ A=\left\{f\left(x\right) \left| \right.x\in \left(2,+\infty \right)\right\} $,集合 $ B=\left\{\left.\dfrac{1}{f\left(x\right)} \right |x\in\left(1,+\infty \right),f\left(x\right)\ne 0 \right\}$,
    则对于任意的 $ x_1\in \left(2,+\infty \right) $,都存在 $ x_2\in\left(1,+\infty\right)$,使得 $ f\left(x_1\right) \cdot f\left(x_2\right)=1 $,等价于 $ A\subseteq B $.显然 $ 0\notin B $.
    下面分三种情况讨论:
    1)当 $ \dfrac{3}{2a}>2 $,即 $ 0<a<\dfrac{3}{4}$ 时,由 $ f\left(\dfrac{3}{2a}\right)=0 $ 可知,$ 0\in A $,而 $ 0\notin B $,所以 $ A $ 不是 $ B $ 的子集;
    2)当 $ 1\leqslant \dfrac{3}{2a}\leqslant 2 $,即 $\dfrac{3}{4}\leqslant a\leqslant \dfrac{3}{2}$ 时,$ f\left(2\right)\leqslant 0 $,且 $ f\left(x\right)$ 在 $ \left(2,+\infty \right) $ 上单调递减,
    故 $ A=\left(-\infty ,f\left(2\right)\right) $,所以 $ A\subseteq\left(-\infty ,0\right) $;
    由 $ f\left(1\right)\geqslant 0 $,有 $ f\left(x\right) $ 在 $ \left(1,+\infty \right) $ 上的取值范围包含 $ \left(-\infty ,0\right) $,即 $ \left(-\infty ,0\right)\subseteq B $,所以 $ A\subseteq B $;
    3)当 $\dfrac{3}{2a} <1 $,即 $ a>\dfrac{3}{2}$ 时,有 $ f\left(1\right)<0 $,且 $ f\left(x\right)$ 在 $ \left(1,+\infty \right) $ 上单调递减,故 $ B=\left(\dfrac{1}{f\left(1\right)},0\right)$,$A=\left(-\infty ,f\left(2\right)\right) $,所以 $ A $ 不是 $ B $ 的子集.
    综上,$ a $ 的取值范围是 $ \left[\dfrac{3}{4},\dfrac{3}{2}\right] $.
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
0.111675s