已知函数f(x)=ax2+bx+cf(x)=ax^{2}+bx+c,其中a∈N∗a∈N^{*},b∈Nb∈N,c∈Zc∈Z. (1) 若b>2ab > 2a,且f(sin⁡x)(x∈R)f(\sin x)(x∈R)的最大值为22,最小值为−4-4,试求函数f(x)f(x)的最小值;(2);(2) 对于(1)中的f(x)f(x),若对任意的m∈[−4,1]m∈[-4,1],恒有f(x)⩾2x2−mx−14f(x)\geqslant 2x^{2}-mx-14,求xx的取值范围.

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完整解法

(1)

1. 确定 $f(\sin x)$ 中自变量的范围以及二次函数的单调性

因为 b>2ab > 2a,且 a∈N∗a \in \mathbb{N}^*,所以对称轴 x=−b2a<−1x = -\frac{b}{2a} < -1.
设 t=sin⁡xt = \sin x,因为 x∈Rx \in \mathbb{R},所以 t∈[−1,1]t \in [-1, 1].
由于 a>0a > 0,二次函数 f(t)=at2+bt+cf(t) = at^2 + bt + c 的图象开口向上,其对称轴在区间 [−1,1][-1, 1] 的左侧,
因此 f(t)f(t) 在区间 [−1,1][-1, 1] 上单调递增.

2. 列出关于系数 $a, b, c$ 的方程组

由于 f(t)f(t) 在 [−1,1][-1, 1] 上单调递增,故:
当 t=−1t = -1 时,函数取得最小值,即 f(−1)=a−b+c=−4f(-1) = a - b + c = -4 ①;
当 t=1t = 1 时,函数取得最大值,即 f(1)=a+b+c=2f(1) = a + b + c = 2 ②.

3. 求解系数 $a, b, c$ 并写出函数解析式

② - ① 得 2b=62b = 6,解得 b=3b = 3.
由 b>2ab > 2a 得 3>2a3 > 2a,即 a<1.5a < 1.5.
因为 a∈N∗a \in \mathbb{N}^*,所以 a=1a = 1.
将 a=1,b=3a=1, b=3 代入②得 1+3+c=21 + 3 + c = 2,解得 c=−2c = -2.
所以 f(x)=x2+3x−2f(x) = x^2 + 3x - 2.

4. 计算 $f(x)$ 在实数集上的最小值

函数 f(x)=x2+3x−2f(x) = x^2 + 3x - 2 的对称轴为 x=−32x = -\frac{3}{2},
所以当 x=−32x = -\frac{3}{2} 时,函数 f(x)f(x) 取得最小值:
f(−32)=(−32)2+3(−32)−2=94−92−2=−174f\left(-\frac{3}{2}\right) = \left(-\frac{3}{2}\right)^2 + 3\left(-\frac{3}{2}\right) - 2 = \frac{9}{4} - \frac{9}{2} - 2 = -\frac{17}{4}.

答案

最小值为 −174-\frac{17}{4}

(2)

1. 转化恒成立不等式为一次函数区间最值问题

由(1)知 f(x)=x2+3x−2f(x) = x^2 + 3x - 2.
不等式 f(x)⩾2x2−mx−14f(x) \geqslant 2x^2 - mx - 14 恒成立,即:
x2+3x−2⩾2x2−mx−14  ⟺  x2−(m+3)x−12⩽0x^2 + 3x - 2 \geqslant 2x^2 - mx - 14 \iff x^2 - (m+3)x - 12 \leqslant 0 对任意 m∈[−4,1]m \in [-4, 1] 恒成立.
令 g(m)=x2−(m+3)x−12g(m) = x^2 - (m+3)x - 12,关于 mm 为一次函数.
要使 g(m)⩽0g(m) \leqslant 0 在 m∈[−4,1]m \in [-4, 1] 上恒成立,只需区间端点值均不大于0,即:
{g(−4)⩽0g(1)⩽0\begin{cases} g(-4) \leqslant 0 \\ g(1) \leqslant 0 \end{cases}

2. 解不等式组求 $x$ 的取值范围

代入端点值:
g(−4)=x2−(−4+3)x−12=x2+x−12⩽0  ⟺  (x+4)(x−3)⩽0  ⟺  −4⩽x⩽3g(-4) = x^2 - (-4+3)x - 12 = x^2 + x - 12 \leqslant 0 \iff (x+4)(x-3) \leqslant 0 \iff -4 \leqslant x \leqslant 3;
g(1)=x2−(1+3)x−12=x2−4x−12⩽0  ⟺  (x−6)(x+2)⩽0  ⟺  −2⩽x⩽6g(1) = x^2 - (1+3)x - 12 = x^2 - 4x - 12 \leqslant 0 \iff (x-6)(x+2) \leqslant 0 \iff -2 \leqslant x \leqslant 6.
联立两个范围:
{−4⩽x⩽3−2⩽x⩽6\begin{cases} -4 \leqslant x \leqslant 3 \\ -2 \leqslant x \leqslant 6 \end{cases},解得 −2⩽x⩽3-2 \leqslant x \leqslant 3.
所以 xx 的取值范围为 [−2,3][-2, 3].

答案

[−2,3][-2, 3]

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