每日一题[832]三次函数的性质

已知函数$f(x)=-\dfrac 13x^3+x^2-ax$有三个零点$0,x_1,x_2$,且$x_1<x_2$.若对任意的$x\in [x_1,x_2]$,$f(x)>f(1)$恒成立,求实数$a$的取值范围.


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正确答案是$\left(\dfrac 23,\dfrac 34\right)$.

分析与解 根据题意,有\[f(x)=-\dfrac 13x\left(x^2-3x+3a\right).\]设$g(x)=x^2-3x+3a$,则当其判别式\[\Delta=9-12a>0\]时,函数$f(x)$有$3$个零点,解得$a<\dfrac 34$.

考虑到函数$f(x)$关于$(1,f(1))$对称,于是不等式$f(x)>f(1)$的解集为\[(-\infty,2-m)\cup (1,m),\]其中$m>1$且$f(m)=f(1)$.根据题意,区间$[x_1,x_2]$是其子集,因此$1<x_1<x_2$,继而$f(1)<0$即可,也即$g(1)>0$,得到$3a-2>0$,解得$a>\dfrac 23$.

综上所述,实数$a$的取值范围是$\left(\dfrac 23,\dfrac 34\right)$.

 三次函数的相关性质在方法技巧《三次函数的性质》中有系统介绍.

本题也可以直接考虑$$f(x)-f(1)=\dfrac 13(x-1)[x^2-2x+(3a-2)]<0,$$对$x\in[x_1,x_2]$恒成立,从而有$1\notin [x_1,x_2]$,又因为$x_1+x_2=3$,所以有$1<x_1<x_2$.

记$h(x)=x^2-2x+(3a-2)$,则$h(x)<0$对$x\in[x_1,x_2]$成立,其中$x_1,x_2$是$x^2-3x+3a=0$的两根,由$1<x_1<x_2$知,这只需要$h(x_2)=x_2^2-2x_2+(3a-2)<0$即可.

又因为$3a=x_1\cdot x_2=x_2(3-x_2)$,所以有$$x_2^2-2x_2+x_2(3-x_2)<0,$$解得$x_2<2$,又因为$x_2>\dfrac 32$,所以$x_2\in\left(\dfrac 23,2\right)$,从而$$a=\dfrac 13x_2(3-x_2)\in\left(\dfrac 23,\dfrac 34\right).$$

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