已知函数 $f\left(x\right)=x^3+ax^2+b\left(a,b\in{\mathbb{R}}\right)$.
【难度】
【出处】
无
【标注】
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试讨论 $f\left(x\right)$ 的单调性;标注答案当 $a=0$ 时,所以函数 $f\left(x\right)$ 在 $\left(-\infty,+\infty\right)$ 上单调递增;
当 $a>0$ 时,函数 $f\left(x\right)$ 在 $\left(-\infty,-\dfrac{2a}3\right)$,$\left(0,+\infty\right)$ 上单调递增,在 $\left(-\dfrac{2a}3,0\right)$ 上单调递减;
当 $a<0$ 时,函数 $f\left(x\right)$ 在 $\left(-\infty,0\right)$,$\left(-\dfrac{2a}3,+\infty\right)$ 上单调递增,在 $\left(0,-\dfrac{2a}3\right)$ 上单调递减.解析可通过比较导函数两根大小来进行单调性讨论.$f'\left(x\right)=3x^2+2ax$,令 $f'\left(x\right)=0$,解得 $x_1=0$,$x_2=-\dfrac{2a}3$.
当 $a=0$ 时,因为 $f'\left(x\right)=3x^2\geqslant 0$,
所以函数 $f\left(x\right)$ 在 $\left(-\infty,+\infty\right)$ 上单调递增;
当 $a>0$ 时,$x\in\left(-\infty,-\dfrac{2a}3\right)\cup \left(0,+\infty\right)$ 时,$f'\left(x\right)>0$,$x\in\left(-\dfrac{2a}3,0\right)$ 时,$f'\left(x\right)<0$,
所以函数 $f\left(x\right)$ 在 $\left(-\infty,-\dfrac{2a}3\right)$,$\left(0,+\infty\right)$ 上单调递增,在 $\left(-\dfrac{2a}3,0\right)$ 上单调递减;
当 $a<0$ 时,$x\in\left(-\infty,0\right)\cup \left(-\dfrac{2a}3,+\infty\right)$ 时,$f'\left(x\right)>0$,$x\in\left(0,-\dfrac{2a}3\right)$ 时,$f'\left(x\right)<0$,
所以函数 $f\left(x\right)$ 在 $\left(-\infty,0\right)$,$\left(-\dfrac{2a}3,+\infty\right)$ 上单调递增,在 $\left(0,-\dfrac{2a}3\right)$ 上单调递减. -
若 $b=c-a$(实数 $c$ 是与 $a$ 无关的常数),当函数 $f\left(x\right)$ 有三个不同的零点时,$a$ 的取值范围恰好是 $\left(-\infty,-3\right)\cup \left(1,\dfrac 32\right)\cup \left(\dfrac 32,+\infty\right)$,求 $c$ 的值.标注答案$c=1$.解析题中函数是三次函数,当它有三个不同零点时,意味着它的极大值和极小值异号,通过这点得到 $a,b,c$ 的关系,再结合题中条件求得 $c$ 值.由(1)知,函数 $f\left(x\right)$ 的两个极值为 $f\left(0\right)=b$,$f\left(-\dfrac{2a}3\right)=\dfrac{4}{27}a^3+b$,
则函数 $f\left(x\right)$ 有三个零点等价于 $f\left(0\right)\cdot f\left(-\dfrac{2a}3\right)=b\left(\dfrac{4}{27}a^3+b\right)<0$,从而\[\begin{cases}
a>0,\\
-\dfrac{4}{27}a^3<b<0
\end{cases} 或 \begin{cases}a<0,\\
0<b<-\dfrac{4}{27}a^3.
\end{cases}\]将 $b=c-a$ 代入得\[\begin{cases}
a>0,\\
-\dfrac{4}{27}a^3<c-a<0
\end{cases} 或 \begin{cases}a<0,\\
0<c-a<-\dfrac{4}{27}a^3.
\end{cases}\]所以当 $a>0$ 时,$\dfrac{4}{27}a^3-a+c>0$ 或当 $a<0$ 时,$\dfrac{4}{27}a^3-a+c<0$.
设 $g\left(a\right)=\dfrac{4}{27}a^3-a+c$,因为函数 $f\left(x\right)$ 有三个零点时,$a$ 的取值范围恰好是 $\left(-\infty,-3\right)\cup \left(1,\dfrac 32\right)\cup \left(\dfrac 32,+\infty\right)$,则在 $\left(-\infty,-3\right)$ 上 $g\left(a\right)<0$,且在 $\left(1,\dfrac 32\right)\cup \left(\dfrac 32,+\infty\right)$ 上 $g\left(a\right)>0$ 均恒成立,
从而 $g\left(-3\right)=c-1\leqslant 0$,且 $g\left(\dfrac 32\right)=c-1\geqslant 0$,因此 $c=1$.
此时,$f\left(x\right)=x^3+ax^2+1-a=\left(x+1\right)\left[x^2+\left(a-1\right)x+1-a\right]$.
因为函数有三个零点,则 $x^2+\left(a-1\right)x+1-a=0$ 有两个异于 $-1$ 的不等实根,
所以 $\Delta=\left(a-1\right)^2-4\left(1-a\right)=a^2+2a-3>0$,且 $\left(-1\right)^2-\left(a-1\right)+1-a\neq 0$,解得 $a\in\left(-\infty,-3\right)\cup \left(1,\dfrac 32\right)\cup \left(\dfrac 32,+\infty\right)$.
综上 $c=1$.
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