若实数 $x_{0}$ 满足 $f(x_{0})=x_{0}$,则称 $x=x_{0}$ 为 $f(x)$ 的不动点.已知函数 $f(x)=x^{3}+ax^{2}+bx+3$,其中 $a,b$ 为常数.
【难度】
【出处】
2013年全国高中数学联赛四川省预赛
【标注】
  1. 若 $a=0$,求函数 $f(x)$ 的单调递增区间;
    标注
    答案
    当 $b\geqslant 0$ 时,$f(x)$ 的单调递增区间为 $(-\infty,+\infty)$;
    当 $b<0$ 时,$f(x)$ 的单调递增区间为 $\left(-\infty,-\sqrt{-\dfrac{b}{3}}\right)$,$\left(\sqrt{\dfrac{b}{3}},+\infty\right)$
    解析
    若 $a=0$,则$$f(x)=x^{3}+bx+3,$$故$$f'(x)=3x^{2}+b.$$当 $b\geqslant 0$ 时,显然 $f(x)$ 在 $\mathbb R$ 上单调递增;
    当 $b<0$ 时,由 $f'(x)>0$ 知 $x>\sqrt{-\dfrac{b}{3}}$ 或 $x<-\sqrt{-\dfrac{b}{3}}$.
    因此,当 $b\geqslant 0$ 时,$f(x)$ 的单调递增区间为 $(-\infty,+\infty)$;
    当 $b<0$ 时,$f(x)$ 的单调递增区间为 $\left(-\infty,-\sqrt{-\dfrac{b}{3}}\right)$,$\left(\sqrt{\dfrac{b}{3}},+\infty\right)$.
  2. 若 $a=0$ 时,存在一个实数 $x_{0}$,使得 $x=x_{0}$ 既是 $f(x)$ 的不动点,又是 $f(x)$ 的极值点.求实数 $b$ 的值;
    标注
    答案
    $-3$
    解析
    由条件知\[\begin{cases}3x_{0}^{2}+b=0,\\ x_{0}^{3}+bx_{0}+3=x_{0},\end{cases}\]于是$$2x_{0}^{3}=x_{0}-3=0,$$即$$(x_{0}-1)(2x_{0}^{2}+2x_{0}+3)=0,$$解得 $x_{0}=1$,从而 $b=-3$.
  3. 求证:不存在实数 $(a,b)$,使得 $f(x)$ 互异的两个极值点皆为不动点.
    标注
    答案
    解析
    假设存在一组实数 $(a,b)$ 满足条件.由条件知\[f'(x)=3x^{2}+2ax+b.\]因为 $f(x)$ 有两个不同极值点,所以$$\Delta=4a^{2}-12b>0,$$解得\[a^{2}>3b\cdots\cdots\text{ ① }\]设 $f(x)$ 的两个不同极值点为 $x_{1},x_{2}$,其中 $x_{1}<x_{2}$,则 $x_{1},x_{2}$ 是方程$$x^{3}+ax^{2}+(b-1)x+3=0$$的两根,设其另一根为 $x_{3}$,所以\[x^{3}+ax^{2}+(b-1)x+3=(x-x_{1})(x-x_{2})(x-x_{3}),\]即\[\begin{split}&\quad x^{3}+x^{2}+(b-1)x+3\\&=x^{3}-(x_{1}+x_{2}+x_{3})x^{2}+(x_{1}x_{2}+x_{2}x_{3}+x_{3}x_{1})x-x_{1}x_{2}x_{3},\end{split}\]故有\[\begin{cases}x_{1}+x_{2}+x_{3}=-a,\\ x_{1}x_{2}+x_{2}x_{3}+x_{3}x_{1}=b-1,\\ x_{1}x_{2}x_{3}=-3,\end{cases}\]于是 $x_{3}=-\dfrac{a}{3}=-\dfrac{9}{b}$,从而\[ab=27\cdots\cdots\text{ ② }\]又\[b-1=x_{1}x_{2}+(x_{1}+x_{2})x_{3}=\dfrac{b}{3}+\left(-\dfrac{2a}{3}\right)\left(-\dfrac{a}{3}\right),\]即\[\dfrac{2a^{2}}{9}-\dfrac{2b}{3}+1=0,\]故$$\dfrac{2a^{2}}{9}-\dfrac{18}{a}+1=0,$$即$$2a^{3}+9a-162=0.$$令 $g(x)=2x^{3}+9x-162$,则$$g'(x)=6x^{2}+9>0.$$故 $g(x)$ 在 $\mathbb R$ 上单调递增,从而 $g(x)=0$ 至多有一个实根.
    又因为$$g(0)=-162<0 , g(4)=2>0,$$从而 $g(x)=0$ 至少有一个实根.
    故 $g(x)=0$ 恰有一个实根 $x=a\in(0,4)$.
    由 ①② 知$$a^{3}>3b=\dfrac{81}{a},$$即 $a^{3}>81$,这与 $a\in(0,4)$ 矛盾.
    因此,不存在实数组 $(a,b)$,使得 $f(x)$ 互异的两个极值点皆为不动点.
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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