(12分)已知函数 f ( x )= x ^ 3 + ax…——2015 高考数学第 21 题答案解析

2015_新课标 I 卷 (2015·理)

2015 全国 第 21 题 解答题 区分题
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21.(12分)已知函数 $\mathrm{f}(\mathrm{x})=\mathrm{x}^{3}+\mathrm{ax}+\frac{1}{4}, \mathrm{~g}(\mathrm{x})=-\ln \mathrm{x}$
(i)当 $a$ 为何值时,$x$ 轴为曲线 $y=f$( $x$ )的切线;
(ii)用 $\min \{\mathrm{m}, \mathrm{n}\}$ 表示 $\mathrm{m}, \mathrm{n}$ 中的最小值,设函数 $\mathrm{h}(\mathrm{x})=\min \{\mathrm{f}(\mathrm{x}), \mathrm{g}(\mathrm{x})\} (x>0)$ ,讨论 $h(x)$ 零点的个数.

参考答案(1)当 $a=-\frac{3}{4}$ 时,$x$ 轴为曲线 $y=f(x)$ 的切线;(2)当 $a< -\frac{5}{4}$ 时,函数 $h(x)$ 有一个零点。 当 $a>-\frac{3}{4}$ 时,$h(x)$ 有一个零点; 当 $a=-\frac{3}{4}$ 或 $-\frac{5}{4}$ 时,$h(x)$ 有两个零点; 当 $-\frac{5}{4}<a< -\frac{3}{4}$ 时,函数 $h(x)$ 有三个零点。

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【考点】6E:利用导数研究函数的最值; 6 H :利用导数研究曲线上某点切线方程。

【专题】2:创新题型;53:导数的综合应用.
【分析】(i)$f^{\prime}(x)=3 x^{2}+a$ .设曲线 $y=f(x)$ 与 $x$ 轴相切于点 $P\left(x_{0}, 0\right)$ ,则 $f(x 0)=0, f^{\prime}\left(x_{0}\right)=0$ 解出即可。
(ii)对 $x$ 分类讨论:当 $x \in(1,+\infty)$ 时,$g(x)=-\ln x<0$ ,可得函数 $h(x)=m i n\{f(x), g(x)\} \leq g(x)<0$ ,即可得出零点的个数。
当 $x=1$ 时,对 $a$ 分类讨论:$a \geq-\frac{5}{4}, a<-\frac{5}{4}$ ,即可得出零点的个数;
当 $x \in(0,1)$ 时,$g(x)=-\ln x>0$ ,因此只考虑 $f(x)$ 在( 0,1 )内的零点个数即可.对 $a$ 分类讨论:①当 $a \leq-3$ 或 $a \geq 0$ 时,②当 $-3

【解答】解:(i)$f^{\prime}(x)=3 x^{2}+a$ .
设曲线 $y=f(x)$ 与 $x$ 轴相切于点 $P\left(x_{0}, 0\right)$ ,则 $f\left(x_{0}\right)=0, f^{\prime}\left(x_{0}\right)=0$ ,
$\therefore\left\{\begin{array}{l}x_{0}^{3}+a x_{0}+\frac{1}{4}=0 \\ 3 x_{0}^{2}+a=0\end{array}\right.$ ,解得 $x_{0}=\frac{1}{2}, a=-\frac{3}{4}$ .
因此当 $a=-\frac{3}{4}$ 时,$x$ 轴为曲线 $y=f(x)$ 的切线;
(ii)当 $x \in(1,+\infty)$ 时,$g(x)=-\ln x<0$ ,
∴ 函数 $h(x)=\min \{f(x), g(x)\}<0$ ,
故 $h(x)$ 在 $x \in(1,+\infty)$ 时无零点.

当 $x=1$ 时,若 $a \geq-\frac{5}{4}$ ,则 $f①=a+\frac{5}{4} \geq 0$ ,
$\therefore h(x)=\min \{f(1), g(1)\}=g(1)=0$ ,故 $x=1$ 是函数 $h(x)$ 的一个零点;
若 $\mathrm{a}<-\frac{5}{4}$ ,则 $\mathrm{f}(1)=\mathrm{a}+\frac{5}{4}<0, \therefore \mathrm{~h}(\mathrm{x})=\min$
$f(1), g(1)\}=f(1)<0$ ,故 $x=1$ 不是函数 $h(x)$ 的零点;
当 $x \in(0,1)$ 时,$g(x)=-\ln x>0$ ,因此只考虑 $f(x)$ 在( 0,1 )内的零点个数即可。
(1)当 $a \leq-3$ 或 $a \geq 0$ 时,$f^{\prime}(x)=3 x^{2}+a$ 在( 0,1 )内无零点,因此 $f(x)$ 在区间(0 ,1)内单调,
而 $f(0)=\frac{1}{4}, f(1)=a+\frac{5}{4}, \therefore$ 当 $a \leq-3$ 时,函数 $f(x)$ 在区间 $(0,1)$ 内有一个零点,

当 $\mathrm{a} \geq 0$ 时,函数 $\mathrm{f}(\mathrm{x})$ 在区间 $(0,1)$ 内没有零点.
②当 $-3若 $f\left(\sqrt{\frac{-a}{3}}\right)>0$ ,即 $\frac{3}{4}若 $f\left(\sqrt{\frac{-a}{3}}\right)=0$ ,即 $a=-\frac{3}{4}$ ,则 $f(x)$ 在 $(0,1)$ 内有唯一零点。
若 $\mathrm{f}\left(\sqrt{\frac{-\mathrm{a}}{3}}\right)<0$ ,即 $-3<\mathrm{a}<-\frac{3}{4}$ ,由 $\mathrm{f}(0)=\frac{1}{4}, \mathrm{f}(1)=\mathrm{a}+\frac{5}{4}$ ,
∴ 当 $-\frac{5}{4}综上可得:$a<-\frac{5}{4}$ 时,函数 $h(x)$ 有一个零点。
当 $a>-\frac{3}{4}$ 时,$h(x)$ 有一个零点;
当 $a=-\frac{3}{4}$ 或 $-\frac{5}{4}$ 时,$h(x)$ 有两个零点;
当 $-\frac{5}{4}【点评】本题考查了导数的运算法则、利用导数的几何意义研究切线方程、利用导数研究函数的单调性极值,考查了分类讨论思想方法、推理能力与计算能力,属于难题。

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