已知函数f(x)=13x3−(2k+1)x2+3k(k+2)x+1f(x)= \dfrac {1}{3}x^{3}-(2k+1)x^{2}+3k(k+2)x+1,其中kk为实数. (1)当k=−1k=-1时,求函数f(x)f(x)在[0,6][0,6]上的最大值和最小值; (2)求函数f(x)f(x)的单调区间; (3)若函数f(x)f(x)的导函数f′(x)f{{'}}(x)在(0,6)(0,6)上有唯一的零点,求kk的取值范围.

先不看答案,让 AI 诊断你卡在哪里?

它不会直接告诉你答案,而是问你卡在哪一步看看 AI 是怎么陪你一步步弄懂这道题的

完整解法

(1)

1. 代入 $k=-1$ 并求导

当 k=−1k = -1 时,函数解析式为:
f(x)=13x3+x2−3x+1f(x) = \dfrac{1}{3}x^3 + x^2 - 3x + 1
对 f(x)f(x) 求导得:
f′(x)=x2+2x−3=(x+3)(x−1)f'(x) = x^2 + 2x - 3 = (x + 3)(x - 1)

2. 求驻点并判断函数在 $[0, 6]$ 上的单调性

令 f′(x)=0f'(x) = 0,解得 x=1x = 1 或 x=−3x = -3(不合题意,舍去).
在区间 [0,1)[0, 1) 上,f′(x)<0f'(x) < 0,f(x)f(x) 单调递减;
在区间 (1,6](1, 6] 上,f′(x)>0f'(x) > 0,f(x)f(x) 单调递增.

3. 计算端点与极值点处的函数值,比较得出最值

计算各关键点处的函数值:
f(0)=1f(0) = 1
f(1)=13+1−3+1=−23f(1) = \dfrac{1}{3} + 1 - 3 + 1 = -\dfrac{2}{3}
f(6)=13×63+62−3×6+1=72+36−18+1=91f(6) = \dfrac{1}{3} \times 6^3 + 6^2 - 3 \times 6 + 1 = 72 + 36 - 18 + 1 = 91
比较可知,在 [0,6][0, 6] 上,函数 f(x)f(x) 的最小值为 f(1)=−23f(1) = -\dfrac{2}{3},最大值为 f(6)=91f(6) = 91.

答案

在 [0,6][0, 6] 上,函数 f(x)f(x) 的最大值为 9191,最小值为 −23-\dfrac{2}{3}.

(2)

1. 对导函数因式分解求根

求函数 f(x)f(x) 的导数:
f′(x)=x2−2(2k+1)x+3k(k+2)f'(x) = x^2 - 2(2k+1)x + 3k(k+2)
对 f′(x)f'(x) 进行因式分解:
f′(x)=[x−(k+2)](x−3k)f'(x) = [x - (k+2)](x - 3k)
令 f′(x)=0f'(x) = 0,解得根为 x1=k+2x_1 = k+2,x2=3kx_2 = 3k.

2. 比较两根大小并分情况讨论单调区间

比较 x1x_1 与 x2x_2 的大小关系:
x2−x1=3k−(k+2)=2(k−1)x_2 - x_1 = 3k - (k+2) = 2(k-1)
① 当 k>1k > 1 时,x1<x2x_1 < x_2,即 k+2<3kk+2 < 3k.
当 x∈(−∞,k+2)x \in (-\infty, k+2) 或 x∈(3k,+∞)x \in (3k, +\infty) 时,f′(x)>0f'(x) > 0;当 x∈(k+2,3k)x \in (k+2, 3k) 时,f′(x)<0f'(x) < 0.
故 f(x)f(x) 的单调递增区间为 (−∞,k+2)(-\infty, k+2) 和 (3k,+∞)(3k, +\infty),单调递减区间为 (k+2,3k)(k+2, 3k).

② 当 k<1k < 1 时,x1>x2x_1 > x_2,即 3k<k+23k < k+2.
当 x∈(−∞,3k)x \in (-\infty, 3k) 或 x∈(k+2,+∞)x \in (k+2, +\infty) 时,f′(x)>0f'(x) > 0;当 x∈(3k,k+2)x \in (3k, k+2) 时,f′(x)<0f'(x) < 0.
故 f(x)f(x) 的单调递增区间为 (−∞,3k)(-\infty, 3k) 和 (k+2,+∞)(k+2, +\infty),单调递减区间为 (3k,k+2)(3k, k+2).

③ 当 k=1k = 1 时,x1=x2=3x_1 = x_2 = 3.
f′(x)=(x−3)2⩾0f'(x) = (x-3)^2 \geqslant 0 恒成立,且仅在 x=3x=3 处为 00.
故 f(x)f(x) 的单调递增区间为 (−∞,+∞)(-\infty, +\infty),无单调递减区间.

答案

当 k>1k > 1 时,f(x)f(x) 的单调递增区间为 (−∞,k+2)(-\infty, k+2) 和 (3k,+∞)(3k, +\infty),单调递减区间为 (k+2,3k)(k+2, 3k);
当 k<1k < 1 时,f(x)f(x) 的单调递增区间为 (−∞,3k)(-\infty, 3k) 和 (k+2,+∞)(k+2, +\infty),单调递减区间为 (3k,k+2)(3k, k+2);
当 k=1k = 1 时,f(x)f(x) 的单调递增区间为 (−∞,+∞)(-\infty, +\infty),无单调递减区间.

(3)

1. 确定导函数的零点表达式并分类讨论

由 (2) 可知,导函数 f′(x)=[x−(k+2)](x−3k)f'(x) = [x - (k+2)](x - 3k) 的零点为 x1=k+2x_1 = k+2 与 x2=3kx_2 = 3k.
若 f′(x)f'(x) 在 (0,6)(0, 6) 上有唯一的零点,需分为两根重合与两根不重合两种情况讨论:

2. 讨论两根重合的情形

情形一:当 x1=x2x_1 = x_2 时,即 k=1k = 1.
此时 f′(x)=(x−3)2f'(x) = (x-3)^2,零点为 x=3x = 3.
因为 3∈(0,6)3 \in (0, 6),所以在 (0,6)(0, 6) 上有唯一零点 x=3x = 3,满足题意.故 k=1k = 1 符合条件.

3. 讨论两根不重合的情形(恰有一个根落在开区间内)

情形二:当 x1≠x2x_1 \neq x_2 时,即 k≠1k \neq 1.两零点不重合,需恰有一个零点在 (0,6)(0, 6) 内,另一个在 (0,6)(0, 6) 外(即小于等于 00 或大于等于 66).

  1. 若 x1=k+2∈(0,6)x_1 = k+2 \in (0, 6) 且 x2=3k∉(0,6)x_2 = 3k \notin (0, 6):
    由 0<k+2<60 < k+2 < 6 得 −2<k<4-2 < k < 4.
    由 3k⩽03k \leqslant 0 或 3k⩾63k \geqslant 6 得 k⩽0k \leqslant 0 或 k⩾2k \geqslant 2.
    取交集(并结合 k≠1k \neq 1)得 k∈(−2,0]∪[2,4)k \in (-2, 0] \cup [2, 4).

  2. 若 x2=3k∈(0,6)x_2 = 3k \in (0, 6) 且 x1=k+2∉(0,6)x_1 = k+2 \notin (0, 6):
    由 0<3k<60 < 3k < 6 得 0<k<20 < k < 2.
    由 k+2⩽0k+2 \leqslant 0 或 k+2⩾6k+2 \geqslant 6 得 k⩽−2k \leqslant -2 或 k⩾4k \geqslant 4.
    此时交集为空集 ∅\varnothing.

4. 综合所有符合条件的情况得出 $k$ 的取值范围

综上所述,结合情形一与情形二,参数 kk 的取值范围为 (−2,0]∪{1}∪[2,4)(-2, 0] \cup \{1\} \cup [2, 4).

答案

kk 的取值范围是 (−2,0]∪{1}∪[2,4)(-2, 0] \cup \{1\} \cup [2, 4).

AI 分析,可能出错

用 AI 批改,圈出写错的那一步,并自动将你的薄弱点存入错题本,形成你的错因库。

同一知识点的其他题

  1. 1曲线 CC 的方程为 y=x2+x+3x−2y = \frac{x^2 + x + 3}{x - 2}。 在不使用计算器的情况下,求 yy 可取的值的集合。 草拟 CC 的图像,清晰写出所有渐近线的方程,以及所有极值点和与坐标轴交点的坐标。 通过在 *…
  2. 2如图所示,一个建在矩形底面上的温室。建造拱形屋顶和两个完全相同的半圆形侧面共使用了 140 m2140\text{ m}^2 的聚乙烯薄膜。每个半圆的半径为 r mr\text{ m},温室的长度为 y my\text{ m}。 证明温室的体积 V m3V\text{ m}^3…
  3. 3曲线的方程由 y=x+sin⁡2xy = x + \sin^2 x 给出,其中 0≤x≤π0 \le x \le \pi。 写出 dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} 的表达式。 求该曲线的驻点。 确定该驻点的性质。
  4. 4一条曲线的方程为 y=ax+(bx)2+cx3+dy = \sqrt{ax + (bx)^2} + cx^3 + d,其中 aa、bb、cc 和 dd 为常数。该曲线在 x=4x = 4 处与 x 轴相交,且在 (1,127)(1, 127) 处有一个转折点。直线 y=−193x+4y = -193x + 4…
  5. 5一个高为 hh、底面半径为 rr 的圆锥恰好内接于一个半径为 5 cm5\text{ cm} 的球体中,如下图所示。 (圆锥的体积=13πr2h)\left(\text{圆锥的体积} = \frac{1}{3}\pi r^2 h\right) 用 hh 表示…