已知函数f(x)=[ax2-(a+1)x+1]ex,a∈R.
(Ⅰ)若a=1,求函数f(x)的极值;
(Ⅱ)若函数f(x)在区间[0,1]上单调递减,求a的取值范围;
(Ⅲ)在(Ⅰ)的条件下,是否存在区间[m,n](m>1)使函数f(x)在[m,n]上的值域也是[m,n]?若存在,求出m,n的值;若不存在,请说明理由.
(Ⅰ)当a=1时,f(x)=(x2-2x+1)ex,
∴f′(x)=(2x-2)ex+(x2-2x+1)ex
=(x2-1)ex,
令f′(x)=0,得x1=-1,x2=1,
列表讨论如下:
x | (-∞,-1) | -1 | (-1,1) | 1 | (1,+∞) |
f′(x) | + | 0 | - | 0 | + |
f(x) | ↑ | 极大值 | ↓ | 极小值 | ↑ |
4 |
e |
(Ⅱ)由题意得,f′(x)=(2ax-a-1)ex+[ax2-(a+1)x+1)ex
=[ax2+(a-1)x-a]ex,
由f(x)在区间[0,1]上单调递减得,f′(x)≤0在[0,1]上恒成立,
即ax2+(a-1)x-a≤0在[0,1]上恒成立,
令g(x)=ax2+(a-1)x-a,x∈[0,1],
①当a=0时,g(x)=-x≤0在[0,1]上恒成立;
②当a>0时,g(x)=ax2+(a-1)x-a过点(0,-a),
即g(0)=-a<0,只需g(1)=a+a-1-a=a-1≤0,就满足条件;
解得a≤1,则此时0<a≤1,
③当a<0时,同理有g(0)=-a>0,
∴ax2+(a-1)x-a≤0在[0,1]上不可能恒成立,
综上得,所求的a的取值范围是[0,1].
(Ⅱ)由(Ⅰ)得f'(x)=(x2-1)ex,
假设当x>1时存在[m,n]使函数f(x)在[m,n]上的值域也是[m,n],且(n>m>1)
∵当x>1时,f'(x)=(x2-1)ex>0,
∴f(x)在区间(1,+∞)上是增函数,
∴
,即f(m)=m f(n)=n
,(m-1)2•em=m (n-1)2•en=n
则问题转化为(x-1)2ex-x=0有两个大于1的不等实根.
设函数h(x)=(x-1)2ex-x(x>1),h′(x)=(x2-1)ex-1,
令φ(x)=(x2-1)ex-1,∴φ′(x)=(x2+2x-1)ex,
当x>1时,φ′(x)>0,
∴φ(x)在(1,+∞)上是增函数,即h′(x)在(1,+∞)上是增函数
∴h′(1)=-1<0,h′(2)=3e2-1>0
∴存在唯一x0∈(1,2),使得h′(x0)=0,
当x变化时,h′(x),h(x)的变化情况如下表:
x | (1,x0) | x0 | (x0,+∞) |
h′(x) | - | 0 | + |
h(x) | 单调递减 | 极小值 | 单调递增 |
∴h(x0)<h(1)=-1<0
∵h(2)=e2-2>0
∴当x>1时,h(x)的图象与x轴有且只有一个交点,
即方程(x-1)2ex-x=0有且只有一个大于1的根,与假设矛盾,
故当x>1时,f(x)不存在[m,n]使函数f(x)在[m,n]上的值域也是[m,n].