已知函数f(x)=mx3-3(m+1)x2+3(m+2)x+1,其中m∈R.
(I)若m<0,求f(x)的单调区间;
(Ⅱ)在(I)的条件下,当x∈[-1,1]时,函数y=f(x)的图象上任意一点的切线斜率恒大于3m,求m的取值范围;
(Ⅲ)设g(x)=mx3-(3m+2)x2+3mx+4lnx+m+1,问是否存在实数m,使得y=f(x)的图象与y=g(x)的图象有且只有两个不同的交点?若存在,求出m的值;若不存在,说明理由.
(I)∵f(x)=mx3-3(m+1)x2+3(m+2)x+1,
∴f'(x)=3mx2-6(m+1)x+3m+6=3m(x-1)[x-(1+
)]…(2分)2 m
当m<0时,有1>1+
,2 m
当x变化时,f(x)与f'(x)的变化如下表:
x | (-∞,1+
| 1+
| (1+
| 1 | (1,+∞) | ||||||
f'(x) | <0 | 0 | >0 | 0 | <0 | ||||||
f(x) | 单调递减 | 极小值 | 单调递增 | 极大值 | 单调递减 |
故有上表知,
当m<0时,f(x)
在(-∞,1+
)单调递减,2 m
在(1+
,1)单调递增,2 m
在(1,+∞)上单调递减.…(5分)
(Ⅱ)由已知得f'(x)>3m,
即mx2-2(m+1)x+2>0
又m<0,
所以x2-
(m+1)x+2 m
<0(x∈[-1,1]) ①…(6分)2 m
设g(x)=x2-2(1+
)x+1 m
,2 m
其函数开口向上,由题意知①式恒成立,
∴
⇒g(-1)<0 g(1)<0
…(8分)1+2+
+2 m
<02 m -1<0
解之得m>-4 3
又m<0所以m的取值范围为(-
,0)…(9分)4 3
(Ⅲ)令φ(x)=g(x)-f(x),
则φ(x)=x2-6x+4lnx+m
因为x>0,要使函数f(x)与函数g(x)有且仅有2个不同的交点,
则函数φ(x)=x2-6x+4lnx+m的图象与x轴的正半轴有且只有两个不同的交点
∴φ′(x)=2x-6+
=4 x
=2x2-6x+4 x
(x>0)2(x-1)(x-2) x
当x∈(0,1)时,ϕ′(x)>0,ϕ(x)是增函数;
当x∈(1,2)时,ϕ′(x)<0,ϕ(x)是减函数
当x∈(2,+∞)时,ϕ′(x)>0,ϕ(x)是增函数
∴φ(x)有极大值φ(1)=m-5;
φ(x)有极小值φ(2)=m+4ln2-8…(12分)
又因为当x充分接近0时,φ(x)<0;当x充分大时,φ(x)>0
所以要使ϕ(x)=0有且仅有两个不同的正根,
必须且只须
或φ′(1)=0 φ′(2)<0 φ′(2)=0 φ′(1)>0
即
或m-5=0 m+4ln2-8<0
,m+4ln2-8=0 m-5>0
∴m=5或m=8-4ln2.
∴当m=5或m=8-4ln2时,
函数f(x)与g(x)的图象有且只有两个不同交点.…(14分)