已知函数 $f(x)=3ax^2+2bx+(b-a)$,求证:$f(x)$ 在区间 $(-1,0)$ 内至少有一个零点.
【难度】
【出处】
【标注】
【答案】
【解析】
零点定理显然当 $a=0$ 时,$f(x)$ 有零点 $x=-\dfrac 12$,符合题意.接下来讨论 $a\neq 0$ 的情形,此时问题等价于证明函数 $g(x)=3x^2+2tx+(t-1)$ 在区间 $(-1,0)$ 内至少有一个零点,其中 $t=\dfrac ba$.考虑到 $g(-1)=2-t$,而 $g(0)=t-1$,因此讨论如下.
情形一 $g(-1)\cdot g(0)<0$,即 $t<1$ 或 $t>2$.
此时根据零点的存在性定理,符合题意.
情形二 $g(-1)\cdot g(0)\geqslant 0$,即 $1\leqslant t\leqslant 2$.
此时函数 $g(x)$ 的对称轴 $x=-\dfrac t3$ 在区间 $(-1,0)$ 内,而其判别式$$\Delta=(2t)^2-4\cdot 3\cdot (t-1)=4(t^2-3t+3)>0.$$考虑到 $g(-1)$ 和 $g(0)$ 中至少有一个为正数,符合题意.\footnote{考虑 $g\left(-\dfrac 12\right)=-\dfrac 14$,结合 $g(-1)$ 和 $g(0)$ 中至少有一个为正数亦可.}
综上所述,$f(x)$ 在区间 $(-1,0)$ 内至少有一个零点.
函数的形式 注意到函数 $f(x)$ 是$$F(x)=ax^3+bx^2+(b-a)x$$的导函数.而 $F(-1)=F(0)=0$,于是函数 $F(x)$ 在区间 $(-1,0)$ 内不单调,因此 $F'(x)$ 在区间 $(-1,0)$ 内必然有正有负,必然有零点.这样就证明了 $f(x)$ 在区间 $(-1,0)$ 内至少有一个零点.
答案 解析 备注
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