把握圖象特征 巧解“三次”問題

徐維武 朱賢良

(安徽省樅陽縣教育教學研究室 246700)

三次函數f(x)=ax3+bx2+cx+d(a≠0)是高中數學中的一類重要函數，可與函數、導數、方程、不等式等諸多知識點交匯融合.以三次函數為載體的試題已成為高考命題中的熱點與亮點，主要涉及三次函數的圖象、單調性、對稱性、零點、最值與值域等類型.掌握有關三次函數圖象規律，有利于指導我們高效且有趣地進行解題.

1 三次函數性質

性質1 (單調性)導函數f′(x)=3ax2+2bx+c，其零點的判別式Δ=4(b2-3ac).

(1)當a>0時,若Δ≤0，則f′(x)≥0，故f(x)在R上單調遞增；

若Δ>0，則方程f′(x)=0有兩個不等實根x1,x2(不妨設x1

x(-∞,x1)(x1,x2)(x2,+∞)f '(x)+-+f(x)↗↘↗

(2)當a<0時,若Δ≤0，則f′(x)≤0，故f(x)在R上單調遞減；

若Δ>0，則方程f′(x)=0有兩個不等實根x1,x2(不妨設x1

x(-∞,x1)(x1,x2)(x2,+∞)f '(x)-+-f(x)↘↗↘

性質2 (極值)由性質1可知，當a>0且Δ>0時，f(x)有一個極大值點x1和一個極小值點x2；

當a<0且Δ>0時，f(x)有一個極小值點x1和一個極大值點x2；

當Δ≤0時，f(x)無極值點.

性質4 (零點)由性質1，2，3可知，f(x)有一個零點

性質6 (圖象)根據上述性質，三次函數f(x)=ax3+bx2+cx+d(a≠0)的圖象有四種類型(如圖1，2，3，4).

圖1 圖2 圖3 圖4

把握住三次函數的圖象特征，我們可以由此來輕松求解高考中“三次”問題.

2 三次函數性質應用

2.1 圖象問題

例1(2015年高考安徽卷·文10)函數f(x)=ax3+bx2+cx+d的圖象如圖5所示，則下列結論正確的是( ).

圖5

A.a>0,b<0,c>0,d>0

B.a>0,b<0,c<0,d>0

C.a<0,b<0,c>0,d>0

D.a>0,b>0,c>0,d<0

解析由三次函數的圖象可知，a>0，且f′(x)=3ax2+2bx+c=0有兩個不等正根x1,x2，故

從而b<0，c>0.又d=f(0)>0，故正確選項為A.

點評三次函數的導數為二次函數，本題在求解時要注意借助二次方程中根與系數的關系來判定b與c的符號.

2.2 單調性問題

例2(2013年高考全國Ⅱ卷·理10文11)已知函數f(x)=x3+ax2+bx+c，下列結論中錯誤的是( ).

A.?x0∈R，f(x0)=0

B.函數y=f(x)的圖象是中心對稱圖形

C.若x0是f(x)的極小值點，則f(x)在區間(-∞,x0)上單調遞減

D.若x0是f(x)的極值點，則f′(x0)=0

解析顯然A,B，D項均正確；對于C項，若x0是f(x)=x3+ax2+bx+c的極小值點，則f(x)的大致圖象如圖1所示，f(x)在區間(-∞,x0)上先遞增后遞減，即C項錯誤.

點評三次函數的單調性分為“增”“減”“增減增”“減增減”四種情形，只需結合其圖象即可得出正確的判斷.

2.3 極值問題

例3(2021年高考全國乙卷·理10文12)設a≠0，若x=a為函數f(x)=a(x-a)2(x-b)的極大值點，則( ).

A.abC.aba2

解析令f(x)=0，解得x=a或x=b，即x=a與x=b是f(x)的兩個零點.

(1)當a>0時，由三次函數的性質可知，f(x)的單調性為“增減增”，要使x=a是f(x)的極大值點，則函數f(x)的大致圖象如圖6所示，故0a2；

圖6 圖7

(2)當a<0時，由三次函數的性質可知，f(x)的單調性為“減增減”，要使x=a是f(x)的極大值點，則函數f(x)的大致圖象如圖7所示，故ba2.

綜上，ab>a2，即正確選項為D.

點評本題在繪制三次函數的圖象時，需要注意x=a既是函數f(x)的極大值點，又是f(x)的零點，同時a的正負情況還決定了函數的單調性.

例4(2013年高考安徽卷·理10)若函數f(x)=x3+ax2+bx+c有極值點x1,x2，且f(x1)=x1，則關于x的方程3[f(x)]2+2af(x)+b=0的不同實根個數是( ).

A.3 B.4 C.5 D.6

解析因為f(x)=x3+ax2+bx+c有極值點x1,x2，則方程f′(x)=3x2+2ax+b=0的兩根為x1,x2，故方程3[f(x)]2+2af(x)+b=0等價于f(x)=x1或f(x)=x2.

因此，問題轉化為判定直線y=x1，y=x2與曲線y=f(x)交點的個數.

(1)若x1>x2，注意到f(x1)=x1，故f(x)的大致圖象如圖8所示，此時直線y=x1，y=x2與曲線y=f(x)共有三個交點；

圖8 圖9

(2)若x1

綜上，不論x1,x2的大小關系如何，關于x的方程3[f(x)]2+2af(x)+b=0的不同實根個數都是3，故選A.

點評本題中三次函數f(x)=x3+ax2+bx+c的單調性為“增減增”，分類討論的標準在于區分x1,x2中哪個是極大值點、哪個是極小值點.

2.4 零點問題

例5(2015年高考安徽卷·理15)設x3+ax+b=0，其中a,b均為實數.下列條件中，使得該三次方程僅有一個實根的是____(寫出所有正確條件的編號).

①a=-3,b=-3；②a=-3,b=2；③a=-3,b>2；④a=0,b=2；⑤a=1,b=2.

解析設函數f(x)=x3+ax+b，因為僅有一個零點，故其圖象有三種可能：

(1)當f′(x)=3x2+a的零點的判別式Δ=-12a≤0時，f(x)在R上單調遞增，恰好一個零點，故④⑤正確；

綜上，使得該三次方程僅有一個實根的條件是①③④⑤.

點評本題主要考查三次函數y=x3+ax+b的零點個數，結合三次函數的圖象特征即可輕松破解.

例6(2012年高考全國大綱卷·理10)已知函數y=x3-3x+c的圖象與x軸恰有兩個公共點，則c等于( ).

A.-2或2 B.-9或3

C.-1或1 D.-3或1

解析由y=x3-3x+c得y′=3x2-3，其導數的零點為x=±1，此即y=x3-3x+c的極值點.

因為函數y=x3-3x+c的圖象與x軸恰有兩個公共點，即有兩個零點，故y極大=y|x=-1=2+c=0或y極小=y|x=1=-2+c=0，即c=-2或2.

點評三次函數恰有兩個零點，有兩種情形：極大值為零或極小值為零，解題時要注意考慮全面.

例7(2020年高考浙江卷·9)已知a,b∈R且ab≠0，對于任意x≥0均有(x-a)(x-b)(x-2a-b)≥0，則( ).

A.a<0 B.a>0 C.b<0 D.b>0

解析設函數f(x)=(x-a)(x-b)(x-2a-b)，顯然其零點為x=a，x=b與x=2a+b.

注意到ab≠0，故b≠2a+b.下面就零點是兩個還是三個來展開討論，并繪制函數圖象：

(1)若三個零點兩兩不相等，則由x≥0時恒有f(x)≥0可知f(x)的圖象如圖10所示，其三個零點a<0，b<0，2a+b<0；

圖10 圖11 圖12

(2)若a=b，則f(x)=(x-a)2(x-3a)，符合題意的圖象如圖11所示，此時a=b<0；

(3)若a=2a+b，則a+b=0，故有f(x)=(x-a)2(x+a)，符合題意的圖象如圖12所示，此時a>0，b<0.

綜上，b<0，正確選項為C.

點評本題中，當函數f(x)恰有兩個零點時，要注意x=a為非變號零點，這對繪制函數圖象至關重要.