已知函数f(x)=x2+ax+b−a(a,b∈R)f(x)=x^{2}+ax+b-a(a,b∈R). (1)若关于xx的不等式f(x)>0f(x) > 0的解集为(−∞,−1)∪(3,+∞)(-∞,-1)∪(3,+∞),求实数aa,bb的值; (2)设a=2a=2,若不等式f(x)>b2−3bf(x) > b^{2}-3b对任意实数xx都成立,求实数bb的取值范围; (3)设b=3b=3,解关于xx的不等式组{f(x)>0x>1 \begin{cases} f(x) > 0 \\ x > 1\end{cases}.

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完整解法

(1)

1. 将不等式的解集转化为对应一元二次方程的根

若关于 xx 的不等式 f(x)=x2+ax+b−a>0f(x) = x^2 + ax + b - a > 0 的解集为 (−∞,−1)∪(3,+∞)(-\infty, -1) \cup (3, +\infty),
根据一元二次不等式与二次方程的关系可知,−1-1 和 33 是关于 xx 的方程 x2+ax+b−a=0x^2 + ax + b - a = 0 的两个实数根。

2. 利用根与系数的关系(韦达定理)求出实数 $a$ 和 $b$ 的值

由韦达定理可得:
{−1+3=−a−1×3=b−a\begin{cases} -1 + 3 = -a \\ -1 \times 3 = b - a \end{cases}
解得:
{a=−2b=−5\begin{cases} a = -2 \\ b = -5 \end{cases}
经检验,当 a=−2a=-2,b=−5b=-5 时,不等式 x2−2x−3>0x^2 - 2x - 3 > 0 的解集确实为 (−∞,−1)∪(3,+∞)(-\infty, -1) \cup (3, +\infty)。
所以 a=−2a = -2,b=−5b = -5。

答案

a=−2a = -2,b=−5b = -5

(2)

1. 代入 $a=2$ 并将不等式整理变形

当 a=2a=2 时,f(x)=x2+2x+b−2f(x) = x^2 + 2x + b - 2。
不等式 f(x)>b2−3bf(x) > b^2 - 3b 恒成立,即 x2+2x+b−2>b2−3bx^2 + 2x + b - 2 > b^2 - 3b 对任意 x∈Rx \in \mathbb{R} 恒成立。
整理得:x2+2x−2>b2−4bx^2 + 2x - 2 > b^2 - 4b 恒成立。

2. 求二次函数的最值以将恒成立问题转化为最值不等式

考虑二次函数 g(x)=x2+2x−2g(x) = x^2 + 2x - 2 的最小值。
通过配方可得:
g(x)=(x+1)2−3g(x) = (x+1)^2 - 3
因此,对于任意实数 xx,恒有 g(x)⩾−3g(x) \geqslant -3。
所以要使 x2+2x−2>b2−4bx^2 + 2x - 2 > b^2 - 4b 恒成立,只需其最小值大于 b2−4bb^2 - 4b,即:
−3>b2−4b-3 > b^2 - 4b

3. 解关于 $b$ 的一元二次不等式得出其取值范围

由 b2−4b<−3b^2 - 4b < -3 整理得:
b2−4b+3<0b^2 - 4b + 3 < 0
因式分解得:
(b−1)(b−3)<0(b-1)(b-3) < 0
解得 1<b<31 < b < 3。
所以实数 bb 的取值范围是 1<b<31 < b < 3。

答案

1<b<31 < b < 3

(3)

1. 代入 $b=3$ 分析 $f(x)$ 对应的方程特征与判别式

当 b=3b=3 时,f(x)=x2+ax+3−af(x) = x^2 + ax + 3 - a。
对于不等式组 {f(x)>0x>1\begin{cases} f(x) > 0 \\ x > 1 \end{cases},注意 f(1)=1+a+3−a=4>0f(1) = 1 + a + 3 - a = 4 > 0 恒成立。
方程 f(x)=0f(x) = 0 的判别式为:
Δ=a2−4(3−a)=a2+4a−12=(a+6)(a−2)\Delta = a^2 - 4(3-a) = a^2 + 4a - 12 = (a+6)(a-2)

2. 讨论 $\Delta \leqslant 0$ 时不等式组的解集

当 −6⩽a⩽2-6 \leqslant a \leqslant 2 时,Δ⩽0\Delta \leqslant 0。
此时 f(x)⩾0f(x) \geqslant 0 对任意 x∈Rx \in \mathbb{R} 恒成立。

  • 若 −6<a<2-6 < a < 2,则 Δ<0\Delta < 0, f(x)>0f(x) > 0 的解集为 R\mathbb{R},与 x>1x > 1 取交集得解集为 (1,+∞)(1, +\infty)。
  • 若 a=2a = 2, f(x)=(x+1)2>0f(x) = (x+1)^2 > 0 的解集为 {x∣x≠−1}\{x \mid x \neq -1\},与 x>1x > 1 取交集仍为 (1,+∞)(1, +\infty)。
  • 若 a=−6a = -6, f(x)=(x−3)2>0f(x) = (x-3)^2 > 0 的解集为 {x∣x≠3}\{x \mid x \neq 3\},与 x>1x > 1 取交集为 (1,3)∪(3,+∞)(1, 3) \cup (3, +\infty)。
    此情况会在后续与 Δ>0\Delta > 0 分类讨论汇总时一起归纳。

3. 讨论 $\Delta > 0$ 时,根据两根与边界 1 的位置关系求解

当 a<−6a < -6 或 a>2a > 2 时,Δ>0\Delta > 0。此时方程 f(x)=0f(x) = 0 有两个不同的实根:
x1,2=−a±a2+4a−122(x1<x2)x_{1,2} = \frac{-a \pm \sqrt{a^2+4a-12}}{2} \quad (x_1 < x_2)
由于 f(1)=4>0f(1) = 4 > 0,所以 11 不可能处于两根之间。对称轴为 x=−a2x = -\frac{a}{2}。

  1. 若 a>2a > 2,则对称轴 −a2<−1<1-\frac{a}{2} < -1 < 1,由于 f(1)>0f(1) > 0,可得两根均小于 11(即 x1<x2<1x_1 < x_2 < 1)。
    此时 f(x)>0f(x) > 0 的解集为 (−∞,x1)∪(x2,+∞)(-\infty, x_1) \cup (x_2, +\infty),其与 x>1x > 1 的交集为 (1,+∞)(1, +\infty)。
  2. 若 a<−6a < -6,则对称轴 −a2>3>1-\frac{a}{2} > 3 > 1,由于 f(1)>0f(1) > 0,可得两根均大于 11(即 1<x1<x21 < x_1 < x_2)。
    此时 f(x)>0f(x) > 0 的解集为 (−∞,x1)∪(x2,+∞)(-\infty, x_1) \cup (x_2, +\infty),其与 x>1x > 1 的交集为 (1,x1)∪(x2,+∞)(1, x_1) \cup (x_2, +\infty)。

4. 对讨论结果进行合并与总结

综合以上讨论:

  • 当 a=−6a = -6 时,两根为 x1=x2=3x_1=x_2=3,其解集 (1,3)∪(3,+∞)(1, 3) \cup (3, +\infty) 形式上可并入 a<−6a < -6 的公式中;
  • 当 a>−6a > -6 时(即 −6<a⩽2-6 < a \leqslant 2 或 a>2a > 2),不等式组的解集均为 (1,+∞)(1, +\infty)。
    综上所述:
    当 a⩽−6a \leqslant -6 时,不等式组的解集为 (1,−a−a2+4a−122)∪(−a+a2+4a−122,+∞)\left(1, \frac{-a - \sqrt{a^2+4a-12}}{2}\right) \cup \left(\frac{-a + \sqrt{a^2+4a-12}}{2}, +\infty\right);
    当 a>−6a > -6 时,不等式组的解集为 (1,+∞)(1, +\infty)。
答案

当 a⩽−6a \leqslant -6 时,解集为 (1,−a−a2+4a−122)∪(−a+a2+4a−122,+∞)\left(1, \frac{-a - \sqrt{a^2+4a-12}}{2}\right) \cup \left(\frac{-a + \sqrt{a^2+4a-12}}{2}, +\infty\right);
当 a>−6a > -6 时,解集为 (1,+∞)(1, +\infty)。

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