问题 解答题

已知定义在R上的奇函数f(x)=x3+bx2+cx+d在x=±1处取得极值.

(Ⅰ)求函数f(x)的解析式;

(Ⅱ)试证:对于区间[-1,1]上任意两个自变量的值x1,x2,都有|f(x1)-f(x2)|≤4成立;

(Ⅲ)若过点P(m,n),(m、n∈R,且|m|<2)可作曲线y=f(x)的三条切线,试求点P对应平面区域的面积.

答案

(I)由题意f(0)=0,

∴d=0,

∴f′(x)=3x2+2bx+c,又f′(1)=f′(-1)=0,

3+2b+c=0
3-2b+c=0

解得b=0,c=-3.

∴f(x)=x3-3x;

(II)∵f(x)=x3-3x,f′(x)=3x2-3=3(x+1)(x-1),

当-1<x<1时,f′(x)<0,

故f(x)在区间[-1,1]上为减函数,

∴fmax(x)=f(-1)=2,fmin(x)=f(1)=-2

对于区间[-1,1]上任意两个自变量的值x1,x2

∴|f(x1)-f(x2)|≤f(-1)-f(1)=4;

(III)设切点为M(x0,y0),

则点M的坐标满足y0=x03-3x0

因f′(x0)=3(x02-1),

故切线l的方程为:y-y0=3(x02-1)(x-x0),

∵P(m,n)∈l,∴n-(x03-3x0)=3(x02-1)(m-x0

整理得2x03-3mx02+3m+n=0.

∵若过点P(m,n)可作曲线y=f(x)的三条切线,

∴关于x0方程2x03-3mx02+3m+n=0有三个实根.

设g(x0)=2x03-3mx02+3m+n,

则g′(x0)=6x02-6mx0=6x0(x0-m),

由g′(x0)=0,得x0=0或x0=m.

由对称性,先考虑m>0

∵g(x0)在(-∞,0),(m,+∞)上单调递增,

在(0,m)上单调递减.

∴函数g(x0)=2x03-3mx02+3m+n的极值点为x0=0,或x0=m

∴关于x0方程2x03-3mx02+3m+n=0有三个实根的充要条件是

g(0)>0
g(m)<0

解得-3m<n<m3-3m.

故0<m<2时,点P对应平面区域的面积

S=

20
(m3-3m)-(-3m)dm=
20
m3dm=
1
4
m4
|20
=4

故|m|<2时,所求点P对应平面区域的面积为2S,即8.

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