问题 解答题

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.

答案

(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
∴f(x)的极大值是f(-1)=
4
e
;极小值是f(1)=0.

(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,

f(m)=m
f(n)=n
,即
(m-1)2em=m
(n-1)2en=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,x0x0(x0,+∞)
h′(x)-0+
h(x)单调递减极小值单调递增
∴h(x)在(1,x0)上单调递减,在(x0,+∞)上单调递增.

∴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].

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