问题 解答题
设函数f(x)=
a
3
x3+
b-1
2
x2+x+5(a,b∈R,a>0)的定义域为R.当x=x1时取得极大值,当x=x2时取得极小值.
(I)若x1<2<x2<4,求证:函数g(x)=ax2+bx+1在区间(-∞,-1]上是单调减函数;
(II)若|x1|<2,|x1-x2|=4,求实数b的取值范围.
答案

法一  f'(x)=ax2+(b-1)x+1.

因为f(x)当x=x1时取得极大值,当x=x2时取得极小值.

所以f'(x)=ax2+(b-1)x+1=0的两根为x1,x2,且x1<x2

(Ⅰ)由题知,f'(x)=0的两个根x1,x2满足x1<2<x2<4,a>0

当且仅当

f′(2)=4a+2b-1<0,①
f′(4)=16a+4b-3>0,②

所以16a+4b>3>3(4a+2b),得-

b
2a
>-1.

因为函数g(x)=ax2+bx+1在区间(-∞,-

b
2a
)上是单调减函数,

所以函数g(x)=ax2+bx+1在区间(-∞,-1]上是单调减函数;

(Ⅱ)因为方程ax2+(b-1)x+1=0的两个根x1,x2(x1<x2),且x1•x2=

1
a
>0,所以x1,x2同号.

又|x1-x2|=

(b-1)2-4a
a
=4,所以(b-1)2=16a2+4a.③

若-2<x1<0,则-2<x1<x2<0,则|x1-x2|<2,与|x1-x2|=4矛盾,

所以0<x1<2,则

f′(2)=4a+2b-1<0
1-b>0
所以4a+1<2(1-b),

结合③得(4a+1)2<4(1-b)2=4(16a2+4a),解得a>

1
12
或-a<
1
4
.结合a>0,得a>
1
12

所以2(1-b)>4a+1>

4
3
,得b<
1
3

所以实数b的取值范围是(-∞,

1
3
).

法二  f'(x)=ax2+(b-1)x+1.

(Ⅰ)由题知,f'(x)=0的两个根x1,x2满足x1<2<x2<4,

当且仅当

f′(2)=4a+2b-1<0,①
f′(4)=16a+4b-3>0,②

由①得,-b>2a-

1
2

因为a>0,所以-

b
2a
>1-
1
4a
.③

-8a-4b+2>0
16a+4b-3>0
结合③,得-
b
2a
>-1.

因为函数g(x)=ax2+bx+1在区间(-∞,-

b
2a
)上是单调减函数,

所以函数g(x)=ax2+bx+1在区间(-∞,-1)上是单调减函数;

(Ⅱ)因为x1•x2=

1
a
>0,所以x1,x2同号.

由|x1|<2,得-2<x1<2.

若-2<x1<0,则-2<x1<x2<0,则|x1-x2|<2,与|x1-x2|=4矛盾,

所以0<x1<2,则x2>4.

所以

f′(2)=4a+2b-1<0,④
f′(4)=16a+4b-3<0,⑤
得b<
1
2

又因为|x1-x2|=

(b-1)2-4a
a
=4,所以(b-1)2=16a2+4a.

根据④⑤得

(b-1)2<(1-2b)2+1-2b
(b-1)2<(
3
4
-b)2+
3
4
-b
b<
1
3
或b>1
b<
5
8
结合b<
1
2
,得b<
1
3

所以实数b的取值范围是(-∞,

1
3
).

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