已知函数f(x)=ex(x2−2x+a)(f(x)=e^{x}(x^{2}-2x+a)(其中a∈Ra∈R,aa为常数,ee为自然对数的底数)). ((Ⅰ))讨论函数f(x)f(x)的单调性; ((Ⅱ))设曲线y=f(x)y=f(x)在(a,f(a))(a,f(a))处的切线为ll,当a∈[1,3]a∈[1,3]时,求直线ll在yy轴上截距的取值范围.

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完整解法

(Ⅰ)

1. 求出函数 $f(x)$ 的导数

已知函数 f(x)=ex(x2−2x+a)f(x) = e^x(x^2 - 2x + a),其定义域为 R\mathbb{R}.
求导得:
f′(x)=ex(x2−2x+a)+ex(2x−2)=ex(x2+a−2)f'(x) = e^x(x^2 - 2x + a) + e^x(2x - 2) = e^x(x^2 + a - 2)

2. 讨论 $a \geqslant 2$ 时导数的符号及单调性

因为 ex>0e^x > 0 恒成立,所以 f′(x)f'(x) 的符号由 x2+a−2x^2 + a - 2 决定.
当 a⩾2a \geqslant 2 时,a−2⩾0a - 2 \geqslant 0,则 x2+a−2⩾0x^2 + a - 2 \geqslant 0 恒成立,即 f′(x)⩾0f'(x) \geqslant 0 恒成立.
此时函数 f(x)f(x) 在 R\mathbb{R} 上单调递增,单调递增区间为 R\mathbb{R}(或 (−∞,+∞)(-\infty, +\infty)).

3. 讨论 $a < 2$ 时导数的符号及单调性

当 a<2a < 2 时,令 f′(x)=0f'(x) = 0,解得 x=±2−ax = \pm \sqrt{2-a}.
当 x∈(−∞,−2−a)x \in (-\infty, -\sqrt{2-a}) 时,f′(x)>0f'(x) > 0;
当 x∈(−2−a,2−a)x \in (-\sqrt{2-a}, \sqrt{2-a}) 时,f′(x)<0f'(x) < 0;
当 x∈(2−a,+∞)x \in (\sqrt{2-a}, +\infty) 时,f′(x)>0f'(x) > 0.
故 f(x)f(x) 的单调递增区间为 (−∞,−2−a)(-\infty, -\sqrt{2-a}) 和 (2−a,+∞)(\sqrt{2-a}, +\infty),单调递减区间为 (−2−a,2−a)(-\sqrt{2-a}, \sqrt{2-a}).

答案

当 a⩾2a \geqslant 2 时,f(x)f(x) 的单调递增区间为 R\mathbb{R},无单调递减区间;
当 a<2a < 2 时,f(x)f(x) 的单调递增区间为 (−∞,−2−a)(-\infty, -\sqrt{2-a}) 和 (2−a,+∞)(\sqrt{2-a}, +\infty),单调递减区间为 (−2−a,2−a)(-\sqrt{2-a}, \sqrt{2-a}).

(Ⅱ)

1. 求切点坐标与切线斜率

由题意可知,切点为 (a,f(a))(a, f(a)),其中 f(a)=ea(a2−a)f(a) = e^a(a^2 - a).
由第(Ⅰ)问可知,切线 ll 的斜率为 k=f′(a)=ea(a2+a−2)k = f'(a) = e^a(a^2 + a - 2).

2. 写出切线方程并求 $y$ 轴截距表达式

切线 ll 的方程为:
y−ea(a2−a)=ea(a2+a−2)(x−a)y - e^a(a^2 - a) = e^a(a^2 + a - 2)(x - a)
令 x=0x = 0,得 yy 轴上的截距为:
b=ea(a2−a)−aea(a2+a−2)=ea(−a3+a)b = e^a(a^2 - a) - a e^a(a^2 + a - 2) = e^a(-a^3 + a)
记 g(a)=ea(−a3+a)g(a) = e^a(-a^3 + a),其中 a∈[1,3]a \in [1, 3].

3. 求截距函数 $g(a)$ 的导数并确定其单调性

对 g(a)g(a) 求导,得:
g′(a)=ea(−a3+a)+ea(−3a2+1)=ea(−a3−3a2+a+1)g'(a) = e^a(-a^3 + a) + e^a(-3a^2 + 1) = e^a(-a^3 - 3a^2 + a + 1)
设 h(a)=−a3−3a2+a+1h(a) = -a^3 - 3a^2 + a + 1,在 a∈[1,3]a \in [1, 3] 上:
h′(a)=−3a2−6a+1h'(a) = -3a^2 - 6a + 1
因为 a⩾1a \geqslant 1,所以 h′(a)=−3a2−6a+1⩽−3−6+1=−8<0h'(a) = -3a^2 - 6a + 1 \leqslant -3 - 6 + 1 = -8 < 0,
故 h(a)h(a) 在区间 [1,3][1, 3] 上单调递减.
由此可得 h(a)⩽h(1)=−1−3+1+1=−2<0h(a) \leqslant h(1) = -1 - 3 + 1 + 1 = -2 < 0.
因为 ea>0e^a > 0,所以 g′(a)<0g'(a) < 0 恒成立,
即 g(a)g(a) 在区间 [1,3][1, 3] 上单调递减.

4. 计算截距函数的最值,从而确定截距取值范围

由于 g(a)g(a) 在区间 [1,3][1, 3] 上单调递减,
当 a=1a = 1 时,g(a)g(a) 取得最大值,最大值为 g(1)=e1(−13+1)=0g(1) = e^1(-1^3 + 1) = 0;
当 a=3a = 3 时,g(a)g(a) 取得最小值,最小值为 g(3)=e3(−33+3)=−24e3g(3) = e^3(-3^3 + 3) = -24e^3.
因此,直线 ll 在 yy 轴上截距的取值范围是 [−24e3,0][-24e^3, 0].

答案

[−24e3,0][-24e^3, 0]

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