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(2007•揭陽二模)如圖(1)示,定義在D上的函數f(x),如果滿足:對?x∈D,?常數A,都有f(x)≥A成立,則稱函數f(x)在D上有下界,其中A稱為函數的下界.(提示:圖(1)、(2)中的常數A、B可以是正數,也可以是負數或零)  

(Ⅰ)試判斷函數f(x)=x3+
48
x
在(0,+∞)上是否有下界?并說明理由;
(Ⅱ)又如具有如圖(2)特征的函數稱為在D上有上界.請你類比函數有下界的定義,給出函數f(x)在D上有上界的定義,并判斷(Ⅰ)中的函數在(-∞,0)上是否有上界?并說明理由;
(Ⅲ)若函數f(x)在D上既有上界又有下界,則稱函數f(x)在D上有界,函數f(x)叫做有界函數.試探究函數f(x)=ax3+
b
x
(a>0,b>0a,b是常數)是否是[m,n](m>0,n>0,m、n是常數)上的有界函數?
分析:(I)函數f(x)=x3+
48
x
在(0,+∞)上有下界32.利用導數或基本不等式求極小值能夠進行判斷.
(Ⅱ)類比函數有下界的定義,函數有上界可以這樣定義:定義在D上的函數f(x),如果滿足:對?x∈D,?常數B,都有f(x)≤B成立,則稱函數f(x)在D上有上界,其中B稱為函數的上界.利用函數f(x)=x3+
48
x
在(-∞,0)上有下界及其奇偶性即可得出結論;
(Ⅲ)求導f′(x)=3ax2-
b
x2
,利用導數研究其單調性,再對字母m的值進行分類討論,即可得到函數f(x)=ax3+
b
x
是[m,n]上的有界函數.
解答:解:(Ⅰ)
解法1:∵f′(x)=3x2-
48
x2
,由f'(x)=0得3x2-
48
x2
=0
,x4=16,∵x∈(0,+∞),
∴x=2,-----------------------------(2分)
∵當0<x<2時,f'(x)<0,∴函數f(x)在(0,2)上是減函數;
當x>2時,f'(x)>0,∴函數f(x)在(2,+∞)上是增函數;
∴x=2是函數的在區間(0,+∞)上的最小值點,f(x)min=f(2)=8+
48
2
=32

∴對?x∈(0,+∞),都有f(x)≥32,------------------------------------(4分)
即在區間(0,+∞)上存在常數A=32,使得對?x∈(0,+∞)都有f(x)≥A成立,
∴函數f(x)=x3+
48
x
在(0,+∞)上有下界.-----------------------------(5分)
[解法2:∵x>0∴f(x)=x3+
48
x
=x3+
16
x
+
16
x
+
16
x
≥4
4x3
16
x
16
x
16
x
=32

當且僅當x3=
16
x
即x=2時“=”成立
∴對?x∈(0,+∞),都有f(x)≥32,
即在區間(0,+∞)上存在常數A=32,使得對?x∈(0,+∞)都有f(x)≥A成立,
∴函數f(x)=x3+
48
x
在(0,+∞)上有下界.]
(Ⅱ)類比函數有下界的定義,函數有上界可以這樣定義:
定義在D上的函數f(x),如果滿足:對?x∈D,?常數B,都有f(x)≤B成立,則稱函數f(x)在D上有上界,其中B稱為函數的上界.------------------------------(7分)
設x<0,則-x>0,由(Ⅰ)知,對?x∈(0,+∞),都有f(x)≥32,
∴f(-x)≥32,∵函數f(x)=x3+
48
x
為奇函數,∴f(-x)=-f(x)
∴-f(x)≥32,∴f(x)≤-32
即存在常數B=-32,對?x∈(-∞,0),都有f(x)≤B,
∴函數f(x)=x3+
48
x
在(-∞,0)上有上界.----------------------------(9分)
(Ⅲ)∵f′(x)=3ax2-
b
x2

由f'(x)=0得3ax2-
b
x2
=0
,∵a>0,b>0
x4=
b
3a
,∵[m,n]?(0,+∞),∴x=
4
b
3a
,--------------------------------(10分)
∵當0<x<
4
b
3a
時,f'(x)<0,∴函數f(x)在(0,
4
b
3a
)上是減函數;
x>
4
b
3a
時,f'(x)>0,∴函數f(x)在(
4
b
3a
,+∞)上是增函數;
x=
4
b
3a
是函數的在區間(0,+∞)上的最小值點,f(
4
b
3a
)=a(
4
b
3a
)3+
b
4
b
3a
=
4
3
43ab3
------------------------------(11分)
①當m≥
4
b
3a
時,函數f(x)在[m,n]上是增函數;
∴f(m)≤f(x)≤f(n)
∵m、n是常數,∴f(m)、f(n)都是常數
令f(m)=A,f(n)=B,
∴對?x∈[m,n],?常數A,B,都有A≤f(x)≤B
即函數f(x)=ax3+
b
x
在[m,n]上既有上界又有下界-------------------------(12分)
②當 n≤
4
b
3a
時函數f(x)在[m,n]上是減函數
∴對?x∈[m,n]都有f(n)≤f(x)≤f(m)
∴函數f(x)=ax3+
b
x
在[m,n]上有界.-------------------------(13分)
③當m<
4
b
3a
<n
時,函數f(x)在[m,n]上有最小值f(x)min=f(
4
b
3a
)=a(
4
b
3a
)3+
b
4
b
3a
=
4
3
43ab3

A=
4
3
43ab3
,令B=f(m)、f(n)中的最大者
則對?x∈[m,n],?常數A,B,都有A≤f(x)≤B
∴函數f(x)=ax3+
b
x
在[m,n]上有界.
綜上可知函數f(x)=ax3+
b
x
是[m,n]上的有界函數--------------------(14分)
點評:本題考查利用導數求閉區間上函數的最值的應用,考查運算求解能力,推理論證能力;考查函數與方程思想,化歸與轉化思想.綜合性強,是高考的重點.解題時要認真審題,仔細解答.
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