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文檔簡介

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第20講三次函數的圖象和性質

知識梳理

1、基本性質

設三次函數為:f(x)ax3bx2cxd(a、b、c、dR且a0),其基本性質有:

性質1:①定義域為R.②值域為R,函數在整個定義域上沒有最大值、最小值.③單

調性和圖像:

a0a0

0000

圖像

性質2:三次方程f(x)0的實根個數

由于三次函數在高考中出現頻率最高,且四次函數、分式函數等都可轉化為三次函數來

解決,故以三次函數為例來研究根的情況,設三次函數f(x)ax3bx2cxd(a0)

其導函數為二次函數:f(x)3ax22bxc(a0),

判別式為:△22,設的兩根為、,結合函數草圖易

=4b12ac4(b3ac)f(x)0x1x2

得:

(1)若b23ac0,則f(x)0恰有一個實根;

2

(2)若b3ac0,且f(x1)f(x2)0,則f(x)0恰有一個實根;

2

(3)若b3ac0,且f(x1)f(x2)0,則f(x)0有兩個不相等的實根;

2

(4)若b3ac0,且f(x1)f(x2)0,則f(x)0有三個不相等的實根.

說明:(1)(2)f(x)0含有一個實根的充要條件是曲線yf(x)與x軸只相交一次,即

f(x)在R上為單調函數(或兩極值同號),所以b23ac0(或b23ac0,且

f(x1)f(x2)0;

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(5)f(x)0有兩個相異實根的充要條件是曲線yf(x)與x軸有兩個公共點且其中之

一為切點,所以2,且

b3ac0f(x1)f(x2)0;

(6)f(x)0有三個不相等的實根的充要條件是曲線yf(x)與x軸有三個公共點,即

有一個極大值,一個極小值,且兩極值異號所以2且

f(x).b3ac0f(x1)f(x2)0.

性質3:對稱性

bb

(1)三次函數是中心對稱曲線,且對稱中心是;(,f());

3a3a

(2)奇函數的導數是偶函數,偶函數的導數是奇函數,周期函數的導數還是周期函數.

2、常用技巧

b

(1)其導函數為f(x)3ax22bxc0對稱軸為x,所以對稱中心的橫坐標

3a

也就是導函數的對稱軸,可見,yf(x)圖象的對稱中心在導函數yfx的對稱軸上,

且又是兩個極值點的中點,同時也是二階導為零的點;

(2)yf(x)是可導函數,若yf(x)的圖象關于點(m,n)對稱,則yf(x)圖象關

于直線xm

對稱.

(3)若yf(x)圖象關于直線xm對稱,則yf(x)圖象關于點(m,0)對稱.

()已知三次函數32的對稱中心橫坐標為,若存在兩個

4fxaxbxcxdx0fx

fxfx

極值點,,則有12a22

x1x2x1x2fx0.

x1x223

必考題型全歸納

題型一:三次函數的零點問題

例1.(2024·全國·高三專題練習)函數fxx3ax2存在3個零點,則a的取值范圍是

()

A.,2B.,3C.4,1D.3,0

【答案】B

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【解析】f(x)x3ax2,則f(x)3x2a,

若fx要存在3個零點,則fx要存在極大值和極小值,則a<0,

aa

令f(x)3x2a0,解得x或,

33

aa

且當x,,時,f(x)0,

33

aa

當x,,f(x)0,

33

aa

故fx的極大值為f,極小值為f,

33

a

aaa

f0a20

3333

若fx要存在3個零點,則,即,解得a3,

aaaa

f0a20

3333

故選:B.

例2.(2024·江蘇揚州·高三校考階段練習)設a為實數,函數fxx33xa.

(1)求fx的極值;

(2)是否存在實數a,使得方程fx0恰好有兩個實數根?若存在,求出實數a的值;若

不存在,請說明理由.

【解析】(1)fx3x23,令fx0,得x=1或x1.

∵當x(,1)時,f′x0;當x1,1時,f′x0;當x(1,)時,f′x0.

所以f(x)在(,1)上遞減,在(1,1)上遞增,在(1,)上遞減,

\f(x)的極小值為f(-1)=a-2,極大值為f1a2.

(2)由(1)知,f(x)在(,1)上遞減,在(1,1)上遞增,在(1,)上遞減,

而a2a2,即函數的極大值大于極小值.

∴當極大值等于0時,極小值小于0,此時曲線fx與x軸恰好有兩個交點,即方程fx0

恰好有兩個實數根,如圖1所示.a20,即a2.

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當極小值等于0時,極大值大于0,此時曲線fx與x軸恰有兩個交點,即方程fx0恰

好有兩個實數根,如圖2所示.a20,即a2.

綜上所述,當a2或a2時,方程fx0恰好有兩個實數根.

例3.(2024·四川綿陽·高三四川省綿陽南山中學校考階段練習)已知函數

f(x)ax3bx23x(a,bR),且f(x)在x1和x3處取得極值.

(1)求函數f(x)的解析式;

(2)設函數g(x)f(x)t,若g(x)f(x)t有且僅有一個零點,求實數t的取值范圍.

【解析】(1)f(x)3ax22bx3,

因為f(x)在x1和x3處取得極值,

所以x1和x3是方程f(x)=0的兩個根,

2b

131

3aa

則,解得3,經檢驗符合已知條件,

3

13b2

3a

1

所以f(x)x32x23x;

3

1

(2)由題意知g(x)x32x23xt,g(x)x24x3,

3

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當x3或x1時,gx0,當1x3時,gx0,

所以函數gx在3,,,1上遞減,在1,3上遞增,

4

所以gxg3t,gxg1t,

極大值極小值3

又x取足夠大的正數時,g(x)0,x取足夠小的負數時,g(x)0,

因此,為使曲線yg(x)與x軸有一個交點,結合g(x)的單調性,

4

得:gxt0或gxt0,

極大值極小值3

4

∴t0或t,

3

4

即當t0或t時,使得曲線yg(x)與x軸有一個交點.

3

變式1.(2024·天津河西·高三天津實驗中學校考階段練習)已知fxax3bx24a,

a,bR.

(1)當ab1,求yfx的極值;

(2)當a0,b2,設gxx2lnx1,求不等式fxgx的解集;

b

(3)當a0時,若函數fx恰有兩個零點,求的值.

a

3222

【解析】(1)fxxx4,∴f'x3x2x0,x10,x.

23

222

x,,000,

333

f'x+0-0+

108

fx-4

27

2108

∴fx在x時,取極大值.

327

在x0時,取極小值-4.

(2)2x2x2lnx1,即x2lnx10,

1

設hxx2lnx1,h'x2x0,hx單調增函數,且h10,

x

∴不等式的解集為0,1.

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2b

(3)f'x3ax22bx0x0,x,

123a

2b2b

1.b0,,0單調遞增,0,單調遞減,,單調遞增,

3a3a

而f04a0,所以至多一個零點,(舍去).

2.b0,f'x0fx單調增,所以至多一個零點,(舍去).

2b2b

3.b0,,單調遞增,,0單調遞減,0,單調遞增,

3a3a

而f04a0,f24a4b20,∴fx在0,上有一個零點,

2b2b

所以fx在,0上有一個零點,根據fx在,單調遞增,,0單調遞減.

3a3a

2bb

∴f03.

3aa

變式2.(2024·河北保定·高三統考階段練習)已知函數f(x)x33x23x.

(1)求函數fx的圖象在點x0處的切線方程;

(2)若f(x)1x3m在x0,2上有解,求m的取值范圍;

(3)設fx是函數fx的導函數,fx是函數fx的導函數,若函數fx的零點為

x0,則點x0,fx0恰好就是該函數fx的對稱中心.試求

1220182019

ffff的值.

1010101010101010

【解析】(1)因為f(x)3x26x3

所以所求切線的斜率kf03

又因為切點為0,0

所以所求的切線方程為y3x

3

(2)因為fx1xm,所以3x23x1m

因為fx1x3m在x0,2上有解,

所以m不小于3x23x1在區間0,2上的最小值.

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2

因為時,2111,

x0,23x3x13x7,

244

所以m的取值范圍是7,.

(3)因為fx3x26x3,所以fx6x1.

令fx0可得x01,

所以函數fx的對稱中心為1,1,

即如果x1x22,則fx1fx22,

122018201920192

所以ffff2019.

10101010101010102

變式3.(2024·山西太原·高三太原市外國語學校校考階段練習)已知三次函數

f(x)x3bx2cxd(a,b,cR)過點(3,0),且函數f(x)在點(0,f(0))處的切線恰好是直線

y0.

(1)求函數f(x)的解析式;

(2)設函數g(x)9xm1,若函數yf(x)g(x)在區間[2,1]上有兩個零點,求實數m的

取值范圍.

【解析】(1)f(x)x3bx2cxdf(x)3x22bxc,

f(3)279b3cd0b3

由題意可知:f(0)c0c0f(x)x33x2;

f(0)d0d0

(2)令yf(x)g(x)0mx33x29x1,

設h(x)x33x29x1h(x)3x26x93(x3)(x1),

當x[2,1)時,h(x)0,h(x)單調遞增,當x(1,1]時,h(x)0,h(x)單調遞減,

所以h(x)maxh(1)6,h(2)1,h(1)10,

因為函數yf(x)g(x)在區間[2,1]上有兩個零點,

所以直線ym與函數h(x)x33x29x1(x[2,1])的圖象有兩個交點,

故有1m6,即實數m的取值范圍為[1,6).

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1

變式4.(2024·全國·高三專題練習)已知函數f(x)x3ax,gxx2aaR.

3

(1)若函數F(x)f(x)g(x)在x[1,)上單調遞增,求a的最小值;

(2)若函數G(x)f(x)g(x)的圖象與x軸有且只有一個交點,求a的取值范圍.

1

【解析】(1)F(x)f(x)g(x)x3axx2a,F(x)x22xa,

3

因函數F(x)f(x)g(x)在x[1,)上單調遞增,

所以F(x)x22xa0在x[1,))恒成立,即a3,

a的最小值為3.

1

(2)G(x)f(x)g(x)x3x2axa,

3

G(x)x22xa,44a4(1a).

①若a1,則0,G(x)0在R上恒成立,

G(x)在R上單調遞增.G(0)a0,G32a0,

當a1時,函數G(x)的圖象與x軸有且只有一個交點.

②若a1,則0,

G(x)0有兩個不相等的實數根,不妨設為x1,x2,(x1x2).

x1x22,x1x2a.

當x變化時,G(x),G(x)的取值情況如下表:

xx

x(,x1)1(x1,x2)2(x2,)

G(x)00

G(x)增極大值減極小值增

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22

x12x1a0,ax12x1,

111

G(x)x3x2axax3x2axx22xx3(a2)x

13111311111311

1

x[x23(a2)],

311

1

同理G(x)x[x23(a2)],

2322

1

G(x)G(x)xx[x23(a2)][x23(a2)]

1291212

1

(xx)[(xx)23(a2)(x2x2)9(a2)2]

9121212

1222

aa3(a2)[(x1x2)2x1x2]9(a2)

9

2

42433

aa3a3aa.

9924

因為Gx有且只有一個零點,故G(x1)G(x2)0,解得a0.

故當0a1時,函數f(x)的圖象與x軸有且只有一個交點.

綜上所述,a的取值范圍是(0,).

題型二:三次函數的最值、極值問題

11

例4.(2024·云南·高三統考期末)已知函數f(x)x3x22ax,g(x)x24.

32

(1)若函數f(x)在0,上存在單調遞增區間,求實數a的取值范圍;

(2)設G(x)f(x)g(x).若0a2,G(x)在1,3上的最小值為ha,求ha的零點.

【解析】(1)∵f(x)在0,上存在單調遞增區間,∴f'(x)x22x2a0在0,上

有解,

又f(x)是對稱軸為x1的二次函數,所以f'(x)在0,上的最大值大于0,

而f'(x)的最大值為f'112a,∴12a0,

1

解得:a.

2

11

(2)G(x)f(x)g(x)x3x22ax4,

32

∴G'(x)x2x2a,

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118a118a

由G'(x)0得:x,x,

1222

則G(x)在,x1,x2,上單調遞減,在x1,x2上單調遞增,

又∵當0a2時,x10,1x23,

∴G(x)在1,3上的最大值點為x2,最小值為G1或G3,

14

而G3G14a,

3

14711

1當4a0,即0a時,haG36a0,得a,

36212

1

此時,ha的零點為;

12

1472525

2當4a0,即a2時,haG12a0,得a(舍).

36612

1

綜上ha的零點為.

12

11

例5.(2024·高三課時練習)已知函數f(x)x3x22ax,g(x)x24.

32

(1)若函數f(x)在0,上存在單調遞增區間,求實數a的取值范圍;

1

(2)設G(x)f(x)g(x).若0a2,G(x)在1,3上的最小值為,求G(x)在1,3上取

3

得最大值時,對應的x值.

【解析】(1)∵f(x)在0,上存在單調遞增區間,

∴fxx22x2a0在0,上有解,

即在上成立,

fxmax00,

而fx的最大值為f112a,

∴12a0,

1

解得:a.

2

11

(2)G(x)f(x)g(x)x3x22ax4,

32

∴Gxx2x2a,

118a118a

由Gx0得:x,x,

1222

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則G(x)在,x1,x2,上單調遞減,在x1,x2上單調遞增,

又∵當0a2時,x10,1x23,

∴G(x)在1,3上的最大值點為x2,最小值為G1或G3,

14

而G3G14a,

3

147111

1當4a0,即0a時,G36a,得a,

362336

311

此時,最大值點x;

26

1472519

2當4a0,即a2時,G12a,得a(舍).

36634

311

綜上G(x)在1,3上的最大值點為.

6

例6.(2024·江蘇常州·高三常州市北郊高級中學校考期中)已知函數f(x)=x3ax2a2x1,

其中a>0.

(1)當a=1時,求f(x)的單調增區間;

1

(2)若曲線y=f(x)在點a,fa處的切線與y軸的交點為(0,b),求b+的最小值.

a

【解析】(1)當a=1時,fx3x22x13x1x1,

1

令f¢(x)>0,得x或x1,

3

1

故fx的增區間為,,1,.

3

(2)fx3x22axa2,則fa4a2,而faa31,

故曲線yfx在a,fa的切線方程為:

y4a2xaa314a2x3a31,

3

它與y軸的交點為0,3a1,故b3a31,

11

故b3a31,其中a0,

aa

4

319a1

設ga3a1,a0,則ga,

aa2

33

當0a時,ga0;a時,ga0,

33

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琪33

故ga在琪0,上為減函數,在,上為增函數,

桫33

43143

故ga1即b的最小值為1.

min3a3

1

變式5.(2024·廣東珠海·高三校聯考期中)已知函數fxx3ax2a21xb(a,

3

bR),其圖象在點1,f1處的切線方程為xy30.

(1)求a,b的值;

(2)求函數fx的單調區間和極值;

(3)求函數fx在區間2,5上的最大值.

【解析】(1)f(x)x22axa21,f(1)12aa21a22a,

12

f(1)aa21ba2ab,

33

又圖象在點1,f1處的切線方程為xy30,

a22a1a1

所以,解得;

228

1(aab)30b

33

18

(2)由(1)得f(x)x3x2,f(x)x22xx(x2),

33

x0或x2時,f(x)0,0x2時,f(x)0,

所以f(x)的增區間是(,0)和(2,),減區間是(0,2),

84

極大值是f(0),極小值是f2;

33

(3)由(2)知f(x)在[2,0]和[2,5]上遞增,在(0,2)上單調遞減,

58

又f(2)4,f(5),

3

58

所以f(x)在[2,5]上的最大值是,最小值是4.

3

變式6.(2024·全國·高三專題練習)已知函數f(x)x3ax2x,aR,且f(1)0.

(1)求曲線yf(x)在點(1,f(1))處的切線方程;

(2)求函數f(x)在區間[0,3]上的最大值.

【解析】(1)由f(x)x3ax2x得f(x)3x22ax1,

f(1)32a10,解得a1

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f(x)x3x2x,f(x)3x22x1

f(1)1111,f(1)3214

曲線yf(x)在點(1,f(1))處的切線方程為y14x1,

即y4x3;

11

(2)由(1),令f(x)0得x或x1,令f(x)0得x1,

33

函數f(x)在0,1上單調遞減,在1,3上單調遞增,

又f(0)0,f(3)3332315,

函數f(x)在區間[0,3]上的最大值為f(3)15

變式7.(2024·全國·高三專題練習)已知函數f(x)x33bx2cxd在(,0)上是增函數,

在(0,2)上是減函數,且f(x)0的一個根為b

(1)求c的值;

(2)求證:f(x)0還有不同于b的實根x1、x2,且x1、b、x2成等差數列;

(3)若函數f(x)的極大值小于16,求f(1)的取值范圍

【解析】(1)fx3x26bxc,

由題意,可知x0是極大值點,故f00,c0.

(2)令fx0,得x0或2b,

由fx的單調性知2b2,b1,

b是方程fx0的一個根,

32

則b3bbd0d2b3,

fxx33bx22b3xbx22bx2b2,

方程x22bx2b20的根的判別式,

4b242b212b20,

2

又b2bb2b23b20,(b1)

即b不是方程x22bx2b20的根

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fx0有不同于b的根x1、x2,

x1x22b,x1、b、x2成等差數列.

(3)根據函數的單調性可知x0是極大值點,

f0162b316b2,于是2b1,

令gbf12b33b1,

求導gb6b23,

2b1時,gb0,

gb在2,1上單調遞減,

g1gbg2,

即0f111.

1

變式8.(2024·浙江寧波·高三效實中學校考期中)已知函數f(x)x3ax2(a2)x1(其

3

中a0).

(1)求函數f(x)的單調區間;

(2)若f(x)有兩個不同的極值點x1,x2,求f(x1)f(x2)的取值范圍.

【解析】(1)f(x)x22axa2,=4(a2-a-2)

①當=4(a2-a-2)£0即0a2時,f(x)0,\f(x)在R上單調遞增;

②當時,2,2,xx

a2f(x)0x1aaa2x2aaa212

f(x)在(,x1),(x2,)上單調遞增,在(x1,x2)上單調遞減.

2

(2)x1,x2為f(x)x2axa20(a2)的兩根,

4

f(x)f(x)a32a24a2,

123

4

設g(a)a32a24a2(a2)

3

g(a)4a24a44(a2a1),

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當a2時,g(a)=4(a2a1)0

g(a)在(2,)上單調遞減

2222

g(a)g(2),即fxfx.

3123

題型三:三次函數的單調性問題

例7.(2024·陜西商洛·高三校考階段練習)已知三次函數

1

fxx34m1x215m22m7x2在R上是增函數,則m的取值范圍是()

3

A.m<2或m>4B.-4<m<-2C.2<m<4D.2≤m≤4

【答案】D

【解析】f'xx224m1x15m22m7,由題意得x224m1x15m22m70

恒成立,

22

44m1415m22m764m232m460m28m284m6m80,

2m4,故選D.

例8.(2024·全國·高三專題練習)三次函數f(x)mx3x在(,)上是減函數,則m的

取值范圍是()

A.m0B.m1C.m0D.m£1

【答案】A

【解析】對函數f(x)mx3x求導,得f(x)3mx21

因為函數f(x)在(,)上是減函數,則f(x)0在R上恒成立,

即3mx210恒成立,

當x20,即x0時,3mx210恒成立;

11

當2,即時,2,則,即3m,

x0x0x03m22

xxmin

1

因為0,所以3m0,即m0;

x2

又因為當m0時,f(x)x不是三次函數,不滿足題意,

所以m0.

故選:A.

1m11

例9.(2024·江西宜春·高三校考階段練習)已知函數f(x)x3-x2,g(x)mx,m

323

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是實數.

(1)若f(x)在區間(2,+∞)為增函數,求m的取值范圍;

(2)在(1)的條件下,函數h(x)f(x)g(x)有三個零點,求m的取值范圍.

【解析】(1)fxx2m1x,因為fx在區間2,為增函數,

所以fxxxm10在區間2,恒成立,

所以xm10,即mx1恒成立,由x2,得m1.

所以m的取值范圍是,1.

1m11

(2)hxfxgxx3x2mx,

323

所以hxx1xm,令hx0,解得xm或x1,

2

m1時,hxx10,hx在R上是增函數,不合題意,

m1時,令hx0,解得xm或x1,令hx0,解得mx1,

所以hx在,m,1,遞增,在m,1遞減,

111m1

所以hx極大值為hmm3m2,hx極小值為h1,

6232

111

m3m20

623

要使fxgx有3個零點,需,解得m13.

m1

0

2

所以m的取值范圍是,13.

變式9.(2024·陜西榆林·高三綏德中學校考階段練習)已知三次函數f(x)ax3bx3在

x1處取得極值,且在(0,3)點處的切線與直線3xy0平行.

(1)求f(x)的解析式;

(2)若函數g(x)f(x)mx在區間(1,2)上單調遞增,求m的取值范圍.

f(1)3ab0a1

【解析】(1)f(x)3ax2b,由題意,解得,

f(0)b3b3

所以f(x)x33x3;

(2)由(1)g(x)x3(m3)x3,g(x)3x2(m3),

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g(x)在(1,2)是遞增,則g(x)3x2(m3)0在(1,2)上恒成立,

m33x2,x(1,2)時,933x20,所以m0.

1

變式10.(2024·全國·高三專題練習)已知函數fxx32ax4在1,2上單調遞增,則a

3

的取值范圍為______.

1

【答案】32,

2

2

【解析】①當2ax40對任意的x1,2恒成立時,則a1,

xmax

1

則fxx32ax4,fxx22a0對任意的x1,2恒成立,

3

x211

則a,此時1a;

2min22

2

②當2ax40對任意的x1,2恒成立時,則a2,

xmin

1

則fxx32ax4,fxx22a0對任意的x1,2恒成立,

3

x21

則a,此時a不存在;

2max2

12

x32ax4,1x

23a

③當2a1時,1,2,則fx,

a12

x32ax4,x2

3a

2

22x1

當x1,時,fxx2a0恒成立,則a;

a2min2

2x22

當時,2恒成立,則,可得3,解得

x,2fxx2a0a2a2

a2maxa

a32,

此時32a1.

1

綜上所述,實數a的的取值范圍為32,.

2

1

故答案為:32,.

2

題型四:三次函數的切線問題

例10.(2024·全國·高三專題練習)已知函數f(x)x3x.

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(1)求曲線yf(x)在點M(t,f(t))處的切線方程;

(2)設常數a0,如果過點P(a,m)可作曲線yf(x)的三條切線,求m的取值范圍.

【解析】(1)函數f(x)x3x,f(x)3x21.

切線方程為yf(t)f(t)(xt),即y(3t21)x2t3.

(2)由已知關于t的方程m(3t21)a2t3,即m2t33at2a(a0)有三個不等實根.

令g(t)2t33at2a,則g(t)6t(ta).

可知g(t)在(,0)遞減,在(0,a)遞增,在(a,)遞減,

g(t)的極小值為:g(0)a,極大值為g(a)a3a.

所以ama3a.

例11.(2024·江西·高三校聯考階段練習)已知函數fxx33x2x1.

(1)求曲線yfx在點Pt,ft處的切線方程;

(2)設m1,若過點Qm,n可作曲線yfx的三條切線,證明:2mnfm.

【解析】(1)f(x)3x26x1則在點P處的切線方程為yftftxt

整理得y3t26t1x2t33t21

(2)n3t26t1m2t33t21

構造函數gt3t26t1m2t33t21n,

即gt2t33(1m)t26mtm1n過點Qm,n可做曲線yfx的三條切線等價于

函數gt有三個不同的零點.

gt6t1tm,故函數gt在,1上單調遞減,1,m上單調遞增,m,上

單調遞減,

g102mn0

所以,即32可得2mnfm

gm0m3mm1n0

11

例12.(2024·江蘇·高三專題練習)已知函數fxx3ax2a1x2aR,f(x)滿

32

足f(x)f(x)4,已知點M是曲線yf(x)上任意一點,曲線在M處的切線為l.

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(1)求切線l的傾斜角的取值范圍;

4

(2)若過點P(1,m)m可作曲線yf(x)的三條切線,求實數m的取值范圍.

3

1111

【解析】(1)因為f(x)f(x)4,則x3ax2a1x2x3ax2a1x24,

3232

1

解得a0,所以f(x)x3x2,

3

則f(x)x21,故k1,tan1,

33

[0,)[,),切線l的傾斜角的的取值范圍是[0,)[,).

2424

413

(2)設曲線yf(x)與過點P(1,m)m的切線相切于點x0,x0x02,

33

2132

則切線的斜率為kx1,所以切線方程為yx0x02x01xx0

03

4

因為點P(1,m)m在切線上,

3

132232

所以mx0x02x011x0,即mxx1,

3300

由題意,該方程有三解

2

設gxx3x21,則gx2x22x2xx1,令g(x)0,解得x0或x1,

3

當x0或x1時,g(x)0

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