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20不等式★★★★★
已知函数 f(x)=x2+bx+cf(x) = x^2 + bx + c (bb,c∈Rc \in \mathbf{R}),对任意的 x∈Rx \in \mathbf{R},恒有 f′(x)⩽f(x)f'(x) \leqslant f(x).
(1) 证明:当 x⩾0x \geqslant 0 时,f(x)⩽(x+c)2f(x) \leqslant (x + c)^2; (2) 若对满足题设条件的任意 bb,cc,不等式 f(c)−f(b)⩽M(c2−b2)f(c) - f(b) \leqslant M (c^2 - b^2) 恒成立,求 MM 的最小值.
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 由题设,f′(x)=2x+bf'(x)=2x+b,所以对任意 x∈Rx\in\mathbf{R},有
f(x)−f′(x)=x2+(b−2)x+c−b⩾0f(x)-f'(x)=x^2+(b-2)x+c-b\geqslant0
这是关于 xx 的二次函数,故其判别式不大于 00,即
(b−2)2−4(c−b)⩽0(b-2)^2-4(c-b)\leqslant0
整理得 c⩾b24+1c\geqslant\frac{b^2}{4}+1. 当 x⩾0x\geqslant0 时,由 c⩾1c\geqslant1 以及
2c−b⩾b22−b+2=12(b−1)2+32>02c-b\geqslant\frac{b^2}{2}-b+2=\frac{1}{2}(b-1)^2+\frac{3}{2}>0
可得
(x+c)2−f(x)=(2c−b)x+c(c−1)⩾0(x+c)^2-f(x)=(2c-b)x+c(c-1)\geqslant0
因此 f(x)⩽(x+c)2f(x)\leqslant(x+c)^2. \item 直接计算得
f(c)−f(b)=c2+bc−2b2f(c)-f(b)=c^2+bc-2b^2
取 M=32M=\frac{3}{2},则
32(c2−b2)−(f(c)−f(b))=12(c−b)2⩾0\frac{3}{2}(c^2-b^2)-\bigl(f(c)-f(b)\bigr)=\frac{1}{2}(c-b)^2\geqslant0
所以 M=32M=\frac{3}{2} 时不等式对所有满足题设条件的 bb,cc 恒成立.
再取 b=2b=2,c=2+εc=2+\varepsilon,其中 ε>0\varepsilon>0. 此时 c⩾b24+1c\geqslant\frac{b^2}{4}+1,且 f(c)−f(b)c2−b2=c+4c+2=6+ε4+ε⟶32\frac{f(c)-f(b)}{c^2-b^2}=\frac{c+4}{c+2}=\frac{6+\varepsilon}{4+\varepsilon}\longrightarrow\frac{3}{2},(ε→0+)\left(\varepsilon\to0^+\right). 因此任何小于 32\frac{3}{2} 的数都不能使题设不等式恒成立,故 MM 的最小值为 32\frac{3}{2}. \end{enumerate} \end{solution}

2010 · 湖南 · 理 · 第 20 题 · 解答题

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