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】
2014年高考浙江卷(理)
【标注】
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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$$M(a)-m(a)=\begin{cases} 8,a\leqslant -1,\\-a^3-3a+4,-1<a\leqslant \dfrac 13,\\ -a^3+3a+2,\dfrac 13<a<1,\\4,a\geqslant 1.\end{cases}$$解析根据题意,有$$f(x)=\begin{cases} x^3+3x-3a,&x>a,\\a^3,&x=a,\\ x^3-3x+3a,&x<a,\end{cases}$$因此$$f'(x)=\begin{cases} 3x^2+3,&x>a,\\3x^2-3,&x<a.\end{cases}$$按 $a$ 与 $-1,1$ 的大小关系展开讨论.
情形一 当 $a\leqslant -1$ 时,$f(x)$ 在 $[-1,1]$ 上单调递增,因此 $M(a)=f(1)=4-3a$,$m(a)=f(-1)=-4-3a$.情形二 当 $-1<a<1$ 时,$f(x)$ 在 $[-1,a]$ 上单调递减,在 $[a,1]$ 上单调递增,因此$$M(a)=\max\left\{f(-1),f(1)\right\}=\begin{cases} 4-3a,-1<a\leqslant \dfrac 13,\\2+3a,\dfrac 13 <a<1,\end{cases}$$而 $m(a)=f(a)=a^3$.情形三 当 $a\geqslant 1$ 时,$f(x)$ 在 $[-1,1]$ 上单调递减,因此 $M(a)=f(-1)=2+3a$,$m(a)=f(1)=-2+3a$.
综上所述,$$M(a)-m(a)=\begin{cases} 8,a\leqslant -1,\\-a^3-3a+4,-1<a\leqslant \dfrac 13,\\ -a^3+3a+2,\dfrac 13<a<1,\\4,a\geqslant 1.\end{cases}$$ -
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$[-2,0]$解析根据题意,有 $-2-b\leqslant f(x)\leqslant 2-b$,也即 $M(a)\leqslant 2-b$ 且 $m(a)\geqslant -2-b$.
情形一 当 $a\leqslant -1$ 时,有$$\begin{cases} 4-3a\leqslant 2-b,\\-4-3a\geqslant -2-b,\end{cases}$$即$$2+6a\leqslant 3a+b\leqslant -2+6a,$$显然无解.情形二 当 $-1<a\leqslant \dfrac 13$ 时,有$$\begin{cases} 4-3a\leqslant 2-b,\\ a^3\geqslant -2-b,\end{cases}$$即$$-a^3+3a-2\leqslant 3a+b\leqslant 6a-2.$$情形三 当 $\dfrac 13<a<1$ 时,有$$\begin{cases} 2+3a\leqslant 2-b,\\ a^3\geqslant -2-b,\end{cases}$$即$$-a^3+3a-2\leqslant 3a+b\leqslant 0.$$情形四 当 $a \geqslant 1$ 时,有$$\begin{cases} 2+3a\leqslant 2-b,\\ -2+3a\geqslant -2-b,\end{cases}$$即 $3a+b=0$.
接下来求解情形二和情形三中的不等式组,由于$$-a^3+3a-2-(6a-2)=-a(a^2+3),$$因此在 $\left(-1,\dfrac 13\right)$ 上曲线 $y=-a^3+3a-2$ 与直线 $y=6a-2$ 只有一个交点 $(0,-2)$.如图,画出曲线 $y=-a^3+3a-2$ 与直线 $y=6a-2$,可得图中的阴影部分内(包括边界)的点的纵坐标的取值范围即 $3a+b$ 的取值范围.因此当 $-1<a<1$ 时,$3a+b$ 的取值范围是 $[-2,0]$.
综合以上四种情形,可得 $3a+b$ 的取值范围是 $[-2,0]$.
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