已知函数 $y=(a \cos ^2x-3)\sin x$ 的最小值为 $-3$,则实数 $a$ 的取值范围是 .
【难度】
【出处】
2010年全国高中数学联赛(一试)
【标注】
【答案】
$\left[-\dfrac 32,12\right]$
【解析】
问题即函数 $f(x)=-ax^3+(a-3)x$ 在区间 $[-1,1]$ 上的最小值为 $-3$.函数 $f(x)$ 的导函数为$$f'(x)=-3ax^2+(a-3).$$注意到 $f(1)=-3$,于是 $f'(1)\leqslant 0$,可得 $a\geqslant -\dfrac 32$.
情形一 $-\dfrac 32\leqslant a\leqslant 3$.
此时恒有 $f'(x)\leqslant 0$,函数 $f(x)$ 在区间 $[-1,1]$ 上单调递减,符合题意.
情形二 $a>3$.
此时函数 $f(x)$ 在区间 $[-1,1]$ 上有极小值点 $x=-\sqrt{\dfrac{a-3}{3a}}$,于是根据题意,有$$f\left(-\sqrt{\dfrac{a-3}{3a}}\right)\geqslant -3,$$即$$-\dfrac{2(a-3)}3\cdot\sqrt{\dfrac{a-3}{3a}}\geqslant -3,$$整理得 $(a-12)(4a^2+12a+9)\leqslant 0$,解得 $a\leqslant 12$.
综上所述,$a$ 的取值范围是 $\left[-\dfrac 32,12\right]$.
此时恒有 $f'(x)\leqslant 0$,函数 $f(x)$ 在区间 $[-1,1]$ 上单调递减,符合题意.
此时函数 $f(x)$ 在区间 $[-1,1]$ 上有极小值点 $x=-\sqrt{\dfrac{a-3}{3a}}$,于是根据题意,有$$f\left(-\sqrt{\dfrac{a-3}{3a}}\right)\geqslant -3,$$即$$-\dfrac{2(a-3)}3\cdot\sqrt{\dfrac{a-3}{3a}}\geqslant -3,$$整理得 $(a-12)(4a^2+12a+9)\leqslant 0$,解得 $a\leqslant 12$.
综上所述,$a$ 的取值范围是 $\left[-\dfrac 32,12\right]$.
题目
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