已知函数 $f\left( x \right) = {x^3} + 3\left| {x - a} \right|\left(a \in {\mathbb{R}}\right)$.
【难度】
【出处】
【标注】
  1. 若 $f\left( x \right)$ 在 $\left[ { - 1,1} \right]$ 上的最大值和最小值分别记为 $M\left(a\right)$,$m\left(a\right)$,求 $M\left(a\right) - m\left(a\right)$;
    标注
    答案
    当 $a \leqslant - 1$ 时,$M\left( a \right) - m\left( a \right) = 8$,
    当 $ - 1 < a \leqslant \dfrac{1}{3}$ 时,$M\left( a \right) - m\left( a \right) = 4 - 3a - {a^3}$,
    当 $\dfrac{1}{3} < a < 1$ 时,$M\left( a \right) - m\left( a \right) = 2 + 3a - {a^3}$,
    当 $a \geqslant 1$ 时,$M\left( a \right) - m\left( a \right) = 4$.
    解析
    本题需要对绝对值分类讨论,去掉绝对值后可利用导数求函数的最值.① 当 $a \leqslant - 1$ 时,$x - a \geqslant 0$,所以\[f\left( x \right) = {x^3} + 3x - 3a, f'\left( x \right) = 3{x^2} + 3 > 0,\]此时\[\begin{split}f{\left( x \right)_{\min }} & = m\left( a \right) = f\left( { - 1} \right) = - 1 - 3 - 3a = - 3a - 4 , \\ f{\left( x \right)_{\max }} & = M\left( a \right) = f\left( 1 \right) = 4 - 3a;\end{split}\]② 当 $ - 1 < a < 1$ 时,
    1)当 $x \in \left( { - 1,a} \right)$ 时,$x - a < 0$,$ f\left( x \right) = {x^3} - 3x + 3a $,$ f'\left( x \right) = 3{x^2} - 3 < 0 $;
    2)当 $x \in \left[ {a,1} \right)$ 时,$x - a \geqslant 0$,$ f\left( x \right) = {x^3} + 3x - 3a $,$ f'\left( x \right) = 3{x^2} + 3 > 0 $.
    所以\[\begin{split}f{\left( x \right)_{\min }} & = m\left( a \right) = f\left( a \right) = {a^3} , \\ f{\left( x \right)_{\max }} & = M\left( a \right) = \max \left\{ {f\left( { - 1} \right),f\left( 1 \right)} \right\} = \max \left\{ {2 + 3a,4 - 3a} \right\},\end{split}\]由 $2 + 3a = 4 - 3a$,得 $a = \dfrac{1}{3}$,
    所以当 $ - 1 < a \leqslant \dfrac{1}{3}$ 时,$M\left( a \right) = 4 - 3a$,当 $\dfrac{1}{3} < a < 1$ 时,$M\left( a \right) = 3a + 2$;
    ③ 当 $a \geqslant 1$ 时,$x - a \leqslant 0$,$f\left(x\right) = x^3-3x+3a$,$ f'\left( x \right) = 3{x^2} - 3 < 0 $,
    此时\[\begin{split}f{\left( x \right)_{\min }} & = m\left( a \right) = f\left( 1 \right) = 3a - 2 , \\ f{\left( x \right)_{\max }} & = M\left( a \right) = f\left( { - 1} \right) = 3a + 2.\end{split}\]综上所述,
    当 $a \leqslant - 1$ 时,$M\left( a \right) - m\left( a \right) = 8$,
    当 $ - 1 < a \leqslant \dfrac{1}{3}$ 时,$M\left( a \right) - m\left( a \right) = 4 - 3a - {a^3}$,
    当 $\dfrac{1}{3} < a < 1$ 时,$M\left( a \right) - m\left( a \right) = 2 + 3a - {a^3}$,
    当 $a \geqslant 1$ 时,$M\left( a \right) - m\left( a \right) = 4$.
  2. 设 $b \in {\mathbb{R}}$,若 ${\left[ {f\left( x \right) + b} \right]^2} \leqslant 4$ 对 $x \in \left[ { - 1,1} \right]$ 恒成立,求 $3a + b$ 的取值范围.
    标注
    答案
    $ \left[ { - 2,0} \right] $
    解析
    本题中两个变量 $a$、$b$ 无法转化为单变量,所以可以考虑用线性规划的思想来解决问题.由于 ${\left[ {f\left( x \right) + b} \right]^2} \leqslant 4$ 对于 $x \in \left[ { - 1,1} \right]$ 恒成立,即 $ - 2 - b \leqslant f\left( x \right) \leqslant 2 - b$ 对于 $x \in \left[ { - 1,1} \right]$ 恒成立,只需 $M\left( a \right) \leqslant 2 - b$,$m\left( a \right) \geqslant - 2 - b$ 即可.
    ① 当 $a \leqslant - 1$ 时,则\[ M\left( a \right) = 4 - 3a \leqslant 2 - b , m\left( a \right) = - 3a - 4 \geqslant - 2 - b, \]即 $3a + 2 \leqslant b \leqslant 3a - 2$,矛盾.
    ② 当 $ - 1 < a \leqslant \dfrac{1}{3}$ 时,则\[M\left( a \right) = 4 - 3a \leqslant 2 - b , m\left( a \right) = {a^3} \geqslant - 2 - b,\]即不等式组 $\begin{cases}
    - 1 < a < \dfrac{1}{3} ,\\
    3a - b - 2 \geqslant 0, \\
    {a^3} + b + 2 \geqslant 0 \\
    \end{cases}$ 成立,不等式组表示的平面区域如图所示.目标函数 $z = 3a + b$ 在 $\left( {0, - 2} \right)$ 取最小值 $ - 2$,在 $\left( {\dfrac{1}{3},0} \right)$ 取最大值 $0$.
    ③ 当 $\dfrac{1}{3} < a < 1$ 时,则\[M\left( a \right) = 3a + 2 \leqslant 2 - b , m\left( a \right) = {a^3} \geqslant - 2 - b,\]即不等式组 $\begin{cases}
    \dfrac{1}{3} < a < 1, \\
    3a + b \leqslant 0, \\
    {a^3} + b + 2 \geqslant 0 \\
    \end{cases}$ 成立,不等式组表示的平面区域如图所示.目标函数 $z = 3a + b$ 在 $\left( {\dfrac{1}{3}, - \dfrac{55}{27}} \right)$ 取最小值 $ - \dfrac{28}{27}$,在 $\left( {1, - 3} \right)$ 取最大值 $0$.
    ④ 当 $a \geqslant 1$ 时,则\[ M\left( a \right) = 3a + 2 \leqslant 2 - b , m\left( a \right) = 3a - 2 \geqslant - 2 - b, \]即 $3a + b \leqslant 0$ 且 $3a + b \geqslant 0$,则 $3a + b = 0$.
    综上所述,若 ${\left[ {f\left( x \right) + b} \right]^2} \leqslant 4$ 对 $x \in \left[ { - 1,1} \right]$ 恒成立,则 $3a + b \in \left[ { - 2,0} \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
0.132201s