2004年考研数学二第16题

解答题 · 10分

📝 题目

设函数 $f(x)$ 在 $(-\infty,+\infty)$ 内有定义,在区间 $[0,2]$ 上,$f(x)=x\left(x^{2}-4\right)$ ,若对任意的 $x$ 都满足 $f(x)=k f(x+2)$ ,其中 $k$ 为常数。 (I)写出 $f(x)$ 在 $[-2,0)$ 上的表达式; (II)问 $k$ 为何值时,$f(x)$ 在 $x=0$ 处可导。

💡 答案解析

**答案**: 见解析

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**解析**:

(I)当 $-2 \leq x\lt 0$ ,则 $0 \leq x+2\lt 2$ ,由题设:区间 $[0,2]$ 上,$f(x)=x\left(x^{2}-4\right)$ 知,

$$ f(x)=k f(x+2)=k(x+2)\left[(x+2)^{2}-4\right]=k(x+2)\left(x^{2}+4 x\right)=k x(x+2)(x+4) $$

(II)由(I)知:$f(x)=\left\{\begin{array}{ll}x\left(x^{2}-4\right), & x \in[0,2] \\ k x(x+2)(x+4), & x \in[-2,0)\end{array}\right.$ ,所以 $f(0)=0 \cdot\left(0^{2}-4\right)=0$ , 按函数在某点可导的充要条件:在这点的左右导数存在且相等.所以根据导数的定义求 $f(x)$ 在 $x=0$ 的左右导数,使其相等,求出参数 $k$ .

$$ \begin{aligned} & f_{+}^{\prime}(0)=\lim _{x \rightarrow 0^{+}} \frac{f(x)-f(0)}{x-0}=\lim _{x \rightarrow 0^{+}} \frac{x\left(x^{2}-4\right)-0}{x}=-4 \\ & f_{-}^{\prime}(0)=\lim _{x \rightarrow 0^{-}} \frac{f(x)-f(0)}{x-0}=\lim _{x \rightarrow 0^{-}} \frac{k x(x+2)(x+4)-0}{x}=8 k \end{aligned} $$

令 $f_{-}^{\prime}(0)=f_{+}^{\prime}(0)$ ,得 $k=-\displaystyle\frac{1}{2}$ .即当 $k=-\displaystyle\frac{1}{2}$ 时,$f(x)$ 在 $x=0$ 处可导.

📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:写出f(x)在[-2,0)上的表达式
已知函数$f(x)$满足关系式$f(x)=kf(x+2)$,且当$x\in[0,2]$时,$f(x)=x(x^2-4)$。现在要求$x\in[-2,0)$上的表达式。 对于任意$x\in[-2,0)$,有$x+2\in[0,2]$,因此可以利用已知的递推关系。由$f(x)=kf(x+2)$,将$x+2$代入已知区间上的表达式: $$f(x+2)=(x+2)\left[(x+2)^2-4\right]=(x+2)\left(x^2+4x+4-4\right)=(x+2)(x^2+4x).$$ 化简得: $$f(x+2)=(x+2)\cdot x(x+4)=x(x+2)(x+4).$$ 于是: $$f(x)=k\cdot f(x+2)=k\cdot x(x+2)(x+4).$$ 因此,当$x\in[-2,0)$时,$f(x)=kx(x+2)(x+4)$。
公式:f(x)=k\cdot x(x+2)(x+4),\quad x\in[-2,0)
提示:注意将$x$变换到已知区间时,要准确代入并化简多项式。
步骤 2/5
目标:写出f(x)的分段形式并计算f(0)
由第1步已知,函数$f(x)$在区间$[-2,2]$上定义,且满足$f(x)=x(x^2-4)$在$x\in[0,2]$上成立。对于$x\in[-2,0)$,根据题目条件可设$f(x)=kx(x+2)(x+4)$,其中$k$为待定常数。因此,$f(x)$的分段表达式为: $$ f(x)= \begin{cases} kx(x+2)(x+4), & -2 \leq x < 0, \\ x(x^2-4), & 0 \leq x \leq 2. \end{cases} $$ 接下来计算$f(0)$。由于$x=0$属于第二段区间$[0,2]$,代入表达式$f(x)=x(x^2-4)$得: $$ f(0)=0\cdot(0^2-4)=0. $$ 因此,$f(0)=0$。注意,在分段点$x=0$处,两个分段表达式应满足连续性条件(后续步骤会用到),但此处仅需计算函数值,直接代入第二段即可。
公式:$$f(x)=\begin{cases} kx(x+2)(x+4), & -2 \leq x < 0, \\ x(x^2-4), & 0 \leq x \leq 2. \end{cases}$$
提示:分段点处的函数值直接代入所属区间表达式计算,无需考虑极限。
步骤 3/5
目标:计算f(x)在x=0处的右导数
根据题目已知条件,函数$f(x)$在$x=0$处的右导数定义为: $$f'_+(0)=\lim_{x\to 0^+}\frac{f(x)-f(0)}{x-0}.$$ 首先需要确定$f(0)$的值。由题目给出的分段函数可知,当$x=0$时,$f(0)=0$。对于$x>0$,函数表达式为$f(x)=x(x^2-4)$。因此,将$f(x)$和$f(0)$代入右导数定义式: $$f'_+(0)=\lim_{x\to 0^+}\frac{x(x^2-4)-0}{x}=\lim_{x\to 0^+}\frac{x(x^2-4)}{x}.$$ 由于$x\to 0^+$时$x\neq 0$,分子分母中的$x$可以约去,得到: $$f'_+(0)=\lim_{x\to 0^+}(x^2-4).$$ 此时直接代入$x=0$,得到: $$f'_+(0)=0^2-4=-4.$$ 因此,函数$f(x)$在$x=0$处的右导数为$-4$。
公式:$$f'_+(0)=\lim_{x\to 0^+}\frac{f(x)-f(0)}{x-0}=\lim_{x\to 0^+}\frac{x(x^2-4)}{x}=\lim_{x\to 0^+}(x^2-4)=-4$$
提示:注意右导数定义中分母是x-0,分子是f(x)-f(0),代入后先化简再求极限。
步骤 4/5
目标:计算f(x)在x=0处的左导数
根据左导数的定义,函数$f(x)$在$x=0$处的左导数为: $$f'_-(0)=\lim_{x\to 0^-}\frac{f(x)-f(0)}{x-0}.$$ 由题目已知,当$x<0$时,$f(x)=kx(x+2)(x+4)$,且$f(0)=0$。代入上式得: $$f'_-(0)=\lim_{x\to 0^-}\frac{kx(x+2)(x+4)-0}{x}=\lim_{x\to 0^-}\frac{kx(x+2)(x+4)}{x}.$$ 由于$x\to 0^-$时$x\neq 0$,可约去分子分母中的公因子$x$: $$f'_-(0)=\lim_{x\to 0^-}k(x+2)(x+4).$$ 此时,$k$为常数,$(x+2)(x+4)$在$x\to 0^-$时是连续函数,可直接代入$x=0$求极限: $$f'_-(0)=k\cdot(0+2)\cdot(0+4)=k\cdot2\cdot4=8k.$$ 因此,$f(x)$在$x=0$处的左导数为$8k$。
公式:f'_-(0)=\lim_{x\to 0^-}\frac{f(x)-f(0)}{x-0}=8k
提示:左导数定义中分母为x-0,分子为f(x)-f(0),注意约分后再代入。
步骤 5/5
目标:令左右导数相等,解出k
由可导的必要条件,函数在 $x=0$ 处可导,则其左导数与右导数必须相等。前几步已分别求得左导数和右导数的表达式: 左导数:$f'_-(0) = 8k$; 右导数:$f'_+(0) = -4$。 令二者相等,得到方程: $$8k = -4$$ 解此一元一次方程,两边同时除以 $8$: $$k = -\frac{4}{8} = -\frac{1}{2}$$ 因此,当 $k = -\frac{1}{2}$ 时,函数在 $x=0$ 处可导。 至此,已求得参数 $k$ 的值。作为最后一步,可验证:将 $k = -\frac{1}{2}$ 代入原函数,检查左右导数是否确实相等。左导数 $8 \times (-\frac{1}{2}) = -4$,右导数也为 $-4$,相等,故结果正确。
公式:$$8k = -4 \quad \Rightarrow \quad k = -\frac{1}{2}$$
提示:注意左右导数表达式中的符号,解方程时细心即可。

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