(12分)(2009•陕西)已知函数f ( x ) = x…——2009 高考数学第 20 题答案解析

2009_省自主命题(陕西)

2009 Shaanxi Question 20 Free-response Differentiating
2009_省自主命题(陕西)

20.(12分)(2009•陕西)已知函数f $\mathrm { ( } \mathrm { x } \mathrm { ) } = \mathrm { x } ^ { 3 } - 3 \mathrm { a x } - 1 , \mathrm { a } \neq 0$

(1)求f(x)的单调区间;

(2)若f(x)在x=﹣1处取得极值,直线y=m与y=f(x)的图象有三个不同的交点,求m的取值范围

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(1)对函数 $f(x) = x^3 - 3ax - 1$ 求导,得 $f'(x) = 3x^2 - 3a = 3(x^2 - a)$。

① 当 $a < 0$ 时,由于 $x^2 \ge 0$,则 $x^2 - a > 0$ 恒成立,即 $f'(x) > 0$ 对任意 $x \in \mathbb{R}$ 成立。
此时 $f(x)$ 的单调递增区间为 $(-\infty, +\infty)$。

② 当 $a > 0$ 时,令 $f'(x) = 0$,解得 $x = \pm\sqrt{a}$。
当 $x < -\sqrt{a}$ 或 $x > \sqrt{a}$ 时,$x^2 > a$,即 $f'(x) > 0$,函数单调递增;
当 $-\sqrt{a} < x < \sqrt{a}$ 时,$x^2 < a$,即 $f'(x) < 0$,函数单调递减。
此时 $f(x)$ 的单调递增区间为 $(-\infty, -\sqrt{a})$ 和 $(\sqrt{a}, +\infty)$,单调递减区间为 $(-\sqrt{a}, \sqrt{a})$。

综上所述:
当 $a < 0$ 时,$f(x)$ 的单调递增区间为 $(-\infty, +\infty)$;
当 $a > 0$ 时,$f(x)$ 的单调递增区间为 $(-\infty, -\sqrt{a})$,$(\sqrt{a}, +\infty)$,单调递减区间为 $(-\sqrt{a}, \sqrt{a})$。

(2)因为 $f(x)$ 在 $x = -1$ 处取得极值,所以 $f'(-1) = 0$。
代入导数公式:$3(-1)^2 - 3a = 0$,解得 $3 - 3a = 0$,即 $a = 1$。
此时 $f(x) = x^3 - 3x - 1$,$f'(x) = 3x^2 - 3 = 3(x+1)(x-1)$。
令 $f'(x) = 0$,得 $x_1 = -1, x_2 = 1$。

由(1)可知,当 $a=1$ 时:
$f(x)$ 在 $(-\infty, -1)$ 上单调递增,在 $(-1, 1)$ 上单调递减,在 $(1, +\infty)$ 上单调递增。
因此,$f(x)$ 在 $x = -1$ 处取得极大值,在 $x = 1$ 处取得极小值。
极大值为 $f(-1) = (-1)^3 - 3(-1) - 1 = -1 + 3 - 1 = 1$。
极小值为 $f(1) = 1^3 - 3(1) - 1 = 1 - 3 - 1 = -3$。

若直线 $y = m$ 与 $y = f(x)$ 的图象有三个不同的交点,则 $m$ 必须严格介于函数的极小值和极大值之间。
即 $f(1) < m < f(-1)$,也就是 $-3 < m < 1$。
故 $m$ 的取值范围是 $(-3, 1)$。

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关键能力
导数与函数
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