冷启动:题目到底在问什么
题面给的是
f(x)=x2+ax+b,x∈[0,1]
M 是它在这段区间上的最大值,m 是最小值。要判断的不是 M−m 等于多少,而是这么一件事:
M−m 这个数,会不会随着 a 变?会不会随着 b 变?
先把「有关 / 无关」说清楚,否则四个选项读不懂:
- 与 a 有关 = 存在两组取值,只改 a、M−m 就变了。要证「有关」,举一个例子就够。
- 与 b 无关 = 无论 b 取什么,M−m 都一样。要证「无关」,必须对所有 b 都成立,举例子不算数。
这两句不对称,是本题唯一的门槛:「有关」只要一个反例,「无关」要一个证明。 下面两条路都按这个分工来办。
顺带说一句这题为什么不能上来就套顶点。抛物线 y=x2+ax+b 开口向上,对称轴是
x0=−2a
顶点是整条抛物线的最低点,可它未必落在 [0,1] 里——a=4 时 x0=−2,早跑到区间左边去了。
所以「最小值就是顶点值」这句话在本题不成立,得看 x0 站在哪儿。
![教学图:上半幅是 a=−1 时 b=0 与 b=1 两条抛物线,[0,1] 上那一段加粗,各自的最大值与最小值用虚线引到右侧,量出两根等长的绿色双箭头,标注两截一样长、M−m=1/4;下半幅是 M−m 关于 a 的图像,在 a=−2、−1、0 三处折,最低点是 1/4,两侧一路升到 3,官方答案 B](/_astro/q05-figure.B38_JoOC_Z1KqKYK.webp)
解法一:把 b 看成上下平移
怎么想到的。 b 在式子里孤零零地加在最后,不跟 x 发生任何关系。
凡是这种「纯粹加上去的常数」,在图象上只做一件事——把整条曲线原样抬高 b。
既然 M 和 m 都被抬高同样多,它们的差就该纹丝不动。把这句话写成式子,「与 b 无关」当场就证完了。
① 把 b 分离出去。 记
g(x)=x2+ax
则 f(x)=g(x)+b。在 [0,1] 上,给每一个函数值都加同一个 b,谁最大、谁最小的排序一点没变,所以
M=[0,1]maxf=[0,1]maxg+b,m=[0,1]minf=[0,1]ming+b
② 两式相减,b 消掉。
M−m=([0,1]maxg+b)−([0,1]ming+b)=[0,1]maxg−[0,1]ming
右边只剩 g(x)=x2+ax,里面没有 b。这对任何 b 都成立,不是举例——「M−m 与 b 无关」证完了。
③ 再证「与 a 有关」——举一个例子就够。 拿两个具体的 a 算一算(b 反正无关,取 0):
- a=0:g(x)=x2 在 [0,1] 上递增,max=g(1)=1,min=g(0)=0,于是 M−m=1。
- a=−1:g(x)=x2−x,对称轴 x0=21 落在区间里,min=g(21)=−41;
两个端点 g(0)=g(1)=0 一样高,max=0。于是 M−m=41。
1=41,只改 a 就把 M−m 改掉了,所以与 a 有关。
合起来:与 a 有关,但与 b 无关,故选 B。
这条路快在分工用对了:「无关」用一个恒等式一次证完,「有关」用两个数字一次证完,
全程没碰分类讨论。教学图的上半幅画的正是第 ① 步——同一个 a、两个不同的 b,
两条曲线只是上下错开,右边量出来的那两截高低差一模一样。
解法二:配方后按对称轴的位置分类
怎么想到的。 解法一只证了「M−m 与 a 有关」,却没说它到底长什么样。
如果题目下一问要求出 M−m 的表达式,或者你想亲眼看清「每个式子里都带 a、都不带 b」,
就得把 M 与 m 老老实实求出来。二次函数在闭区间上求最值只有一套办法:
先配方定对称轴,再看对称轴站在区间的哪一侧。
① 配方。
f(x)=(x+2a)2+(b−4a2),x0=−2a
开口向上,所以离对称轴越远,函数值越大。
② 按 x0 与 [0,1] 的位置分类。 三段合起来必须盖住全体实数,一段都不能漏。
情形一:x0≤0,即 a≥0。 区间整个在对称轴右边,f 在 [0,1] 上单调递增:
M=f(1)=1+a+b,m=f(0)=b,M−m=1+a
情形二:x0≥1,即 a≤−2。 区间整个在对称轴左边,f 单调递减:
M=f(0)=b,m=f(1)=1+a+b,M−m=−(1+a)=−1−a
(a≤−2 时 −1−a≥1>0,是个正数,符合「最大减最小」。)
情形三:0<x0<1,即 −2<a<0。 对称轴落在区间内部,先减后增,最小值就在顶点上:
m=f(x0)=b−4a2
最大值只能在两个端点里产生,还得再比一次谁高。开口向上时离对称轴越远的端点越高,
所以 x0 落在区间左半(x0<21)时右端点高、落在右半时左端点高;
直接算差更省事:f(1)−f(0)=(1+a+b)−b=1+a。
③ 把四个式子摆在一起看。
| a 的范围 | 对称轴 x0=−2a | M−m | 含 a? | 含 b? |
|---|
| a≥0 | 在区间左边(或左端点) | 1+a | 是 | 否 |
| −1≤a<0 | 在区间内、落在左半(0<x0≤21) | (1+2a)2 | 是 | 否 |
| −2<a<−1 | 在区间内、落在右半(21<x0<1) | 4a2 | 是 | 否 |
| a≤−2 | 在区间右边(或右端点) | −1−a | 是 | 否 |
四个式子无一例外:都带 a、都不带 b。 故 M−m 与 a 有关、与 b 无关,确认 B。
④ 顺手在分界点上对一次账(分类讨论做完必做的一步:两边接不上就是漏了情形或算错了):
- a=0:上一行给 1+0=1,下一行给 (1+0)2=1,接上了;
- a=−1:(1−21)2=41 与 4(−1)2=41,接上了;
- a=−2:4(−2)2=1 与 −1−(−2)=1,接上了。
教学图的下半幅画的就是这张表:横轴是 a,纵轴是 M−m,三个折点正好在 a=−2,−1,0 处,
最低点 41 出现在 a=−1(对称轴恰好落在区间正中)。这条曲线一路在动——「与 a 有关」看得见。
这两条路差在哪。 解法一只回答题目问的那一句,四行结束,考场上应该走它;
解法二多花五倍时间,换来的是 M−m 的完整表达式——一旦题目改成「求 M−m 的最小值」
或「M−m≤1 时 a 的范围」,解法一就答不上来,只能走解法二。
判断标准很直接:只问「有没有关系」走解法一,问「等于多少 / 范围多大」走解法二。
四个选项的来路。
| 选项 | 说法 | 错在哪 |
|---|
| A | 与 a 有关,且与 b 有关 | 看到 M=1+a+b、m=b 里都有 b,就以为差里也有——相减时 b 抵消了 |
| B | 与 a 有关,但与 b 无关 | 正确 |
| C | 与 a 无关,且与 b 无关 | 大概是只算了 a=0 一种情形(得 M−m=1,是个纯数字),没换个 a 试试 |
| D | 与 a 无关,但与 b 有关 | 把两件事同时判反 |
A 和 D 都栽在同一处:b 在 M 里、在 m 里,却不在 M−m 里。
记住那条通用结论——给函数整体加一个常数,最大值与最小值一起平移,差不变。
本题源解析有两处印错,不影响答案,但别照抄。
情形①(a<−2 或 a>0)原文写 M−m=∣f(1)−f(0)∣=∣a∣,可 f(1)−f(0)=(1+a+b)−b=1+a,
应是 ∣1+a∣——代 a=0 一试便知:原式给 0,而 f(x)=x2 在 [0,1] 上的 M−m 明明是 1。
情形③(−1<a≤0)原文既写「f(0)<f(1)」又写 M−m=f(0)−f(−2a)=a−4a2,
前后自相矛盾:f(0)<f(1) 时最大值该取 f(1),正确结果是 1+a+4a2。
两处都不改变「每个式子都含 a、都不含 b」这个结论,故答案 B 不受影响。