首先,问题是:若 (ax−4)(x2+b)≥0 对任意 x∈(−∞,0] 恒成立,其中 a,b 为整数,则 a+b 不可能取值为( ),选项是 A. -7, B. -6, C. -5, D. -17。
我需要找到整数 a 和 b,使得不等式 (ax−4)(x2+b)≥0 对所有 x≤0 成立,然后检查 a+b 哪些值不可能出现。
定义域是 x≤0,即非正实数。我需要确保对于所有 x≤0,乘积 (ax−4)(x2+b)≥0。
首先,注意 x2+b:因为 x≤0,所以 x2≥0,因此 x2+b 的符号取决于 b:
类似地,ax−4:因为 x≤0,所以:
现在,乘积 (ax−4)(x2+b)≥0 对所有 x≤0 成立。
如果 b≥0,那么 x2+b≥0 对所有 x(实际上,如果 b>0,则 x2+b>0;如果 b=0,则 x2+b=x2≥0,仅在 x=0 时为0)。
因此,不等式变为 (ax−4)(x2+b)≥0。
由于 x2+b≥0 且不恒为零(除非 b=0 且 x=0),乘积的符号由 ax−4 决定,但需要确保乘积非负。
实际上,因为 x2+b>0 对所有 x(如果 b>0),或者 x2+b≥0 且仅在 x=0 时为0(如果 b=0),所以:
现在,ax−4≥0 对所有 x≤0 成立吗?
具体来说,ax−4=0 当 x=4/a。由于 a<0,x=4/a<0,所以在 x≤0 范围内。
因此,对于 a<0 和 b≥0,ax−4 在 x≤0 上不是总是非负的;它在 x=4/a 处为零,在 x<4/a 时为正(因为 a<0,x 更负时 ax 更大),在 x>4/a 时为负。
但我们需要对所有 x≤0,(ax−4)(x2+b)≥0。
如果 b>0,x2+b>0,所以乘积的符号与 ax−4 相同。但 ax−4 在 x>4/a 时为负,而 4/a<0,所以对于 x∈(4/a,0],ax−4<0,乘积为负,违反不等式。
如果 b=0,在 x=0 时,x2>0,所以乘积的符号与 ax−4 相同,同样在 x∈(4/a,0) 上为负,不满足。
因此,当 b≥0 时,无论 a 如何,不等式都不能对所有 x≤0 成立。因为 ax−4 在 x 接近0时总是负的(除非 a 很大,但 a 是整数,ax−4 在 x=0 时为 −4<0,且连续,所以在包含0的区间内为负)。
更准确地说,对于任何 a,在 x=0 时,(a∗0−4)(0+b)=(−4)b。如果 b>0,则为负;如果 b=0,则为0,但附近点可能负。
但无论如何,从以上分析,当 b≥0 时,似乎不可能。但我们需要检查是否可能。
或许当 b=0 且 a 满足某些条件,但似乎不行。
所以,可能 b 必须小于0,以使 x2+b 在某些区域为负,从而可能乘积非负。
现在,假设 b<0,记 b=−c,其中 c>0,所以 x2+b=x2−c。
这个二次函数在 x=±c 处有根。由于 x≤0,我们关注 x=−c。
x2−c 在 ∣x∣>c 时为正,在 ∣x∣<c 时为负。因此,对于 x≤0,当 x<−c 时 x2−c>0,当 −c<x≤0 时 x2−c<0(因为 x=0 时 0−c=−c<0)。
现在,ax−4 是线性的。
我们需要 (ax−4)(x2−c)≥0 对所有 x≤0 成立。
由于 x2−c 在 x≤0 上变号(在 x=−c 处),而 ax−4 也可能变号,所以乘积要恒非负,两者必须同号,或其中一个为零。
更仔细地说,乘积在 x≤0 上不变号或仅在零点为零。
定义函数 f(x)=(ax−4)(x2−c)。
我们需要 f(x)≥0 对所有 x≤0。
f(x) 是一个三次函数:f(x)=ax3−4x2+terms? 等等。
展开:(ax−4)(x2−c)=ax⋅x2+ax⋅(−c)+(−4)⋅x2+(−4)⋅(−c)=ax3−acx−4x2+4c。
所以 f(x)=ax3−4x2−acx+4c。
但或许不需要展开。
由于我们需要对所有 x≤0 成立,特别是当 x→−∞ 时,f(x) 的行为取决于 a。
所以,a 必须是负整数,且 b<0(因为 b≥0 的情况已被排除)。
现在,设 a<0,b=−c,c>0。
所以 f(x)=(ax−4)(x2−c)。
我们需要对所有 x≤0,f(x)≥0。
现在,分析 f(x) 的根和符号变化。
首先,ax−4=0 当 x=4/a。由于 a<0,x=4/a<0。
其次,x2−c=0 当 x=±c,所以在 x≤0 上,根在 x=−c。
因此,f(x) 的根在 x=4/a 和 x=−c(假设 4/a=−c)。
由于是三次函数,最多三个实根,但这里有两个不同的根(可能相同)。
现在,对于 x≤0,我们需要 f(x)≥0。
考虑关键点:x=4/a 和 x=−c,以及 x=0。
由于 a<0,当 x→−∞,ax3→+∞(因为 a<0,x3→−∞,负乘负=正),所以 f(x)→+∞ 当 x→−∞。
在 x=0,f(0)=(a∗0−4)(0−c)=(−4)(−c)=4c>0,成立。
现在,f(x) 可能在 x≤0 上有最小值,我们需要这些最小值非负。
但或许更容易考虑符号变化。
设 r1=4/a<0(因为 a<0),r2=−c<0。
假设 r1=r2,那么根为 r1 和 r2,且由于首项系数 a<0,但首项是 ax3,所以当 x→+∞,f(x)→−∞,当 x→−∞,f(x)→+∞。
对于 x≤0,函数从 +∞ 开始,在某个点可能下降。
符号变化:在根处变号。
我们需要对所有 x≤0,f(x)≥0。由于当 x→−∞ 时 f(x)>0,且在 x=0 时 f(0)>0,如果 f(x) 在 (−∞,0] 上没有穿过零点或低于零,那么它必须没有实根或根在允许范围外,但这里在 x≤0 上有根 r1 和 r2。
在根处 f(x)=0,这是允许的(≥0),但我们需要在这些点之间没有负值。
具体来说,由于是连续函数,如果它在 x≤0 上有根,那么在这些根之间,它可能为正或负。
例如,假设 r1<r2<0,那么当 x<r1,f(x) 的符号:由于首项系数 a<0,且是三次函数,但更简单的方法是测试区间。
考虑区间 (−∞,0],分为若干部分。
但关键点是 r1=4/a 和 r2=−c。
现在,f(x)≥0 对所有 x≤0 成立的条件是 f(x) 在 (−∞,0] 上不取负值。
由于在 r1 和 r2 处为零,且当 x→−∞ 时为正,在 x=0 时为正,如果 r1 和 r2 不同,那么在这些点之间,函数可能为负。
例如,如果 r1<r2<0,那么考虑 x 在 r1 和 r2 之间,比如 x=(r1+r2)/2。
但或许可以计算 f(x) 在某个点的值。
为了使 f(x)≥0 对所有 x≤0 成立,一个必要条件是 f(x) 在 x≤0 上没有负的最小值,但更严格的条件是它不应在 (−∞,0] 上变号。
实际上,由于在 x→−∞ 时为正,在 x=0 时为正,如果它在某个点为负,则违反条件。因此,它必须在 (−∞,0] 上非负,这意味着它不能穿过零点,除非在孤立点,但它在 r1 和 r2 处为零,所以如果 r1=r2,那么在这些点之间,它必须保持非负,但三次函数在根之间可能为负。
除非两个根重合,或者函数没有实根,但这里有两个不同的根(可能)。
因此,可能当 r1=r2 时,即 4/a=−c。
因为如果根重合,那么 f(x)=k(x−r)2(x−s) 之类的形式,但让我们看看。
设 4/a=−c。
由于 a<0,c>0,所以 4/a<0,−c<0,成立。
所以,4/a=−c。
因此,c=−4/a(因为两边负,但平方根为正,所以 −4/a>0,由于 a<0,成立)。
所以 c=−4/a。
两边平方:c=(−4/a)2=16/a2。
但 b=−c,所以 b=−16/a2。
现在,由于 b 是整数,且 a 是负整数,所以 b=−16/a2 必须是整数。
因此,a2 必须是 16 的因数,因为 b 是整数。
16 的因数:±1,±2,±4,±8,±16,但 a 是负整数,所以 a=−1,−2,−4(因为 a2=1,4,16,对应 b=−16/1=−16,b=−16/4=−4,b=−16/16=−1)。
a2=1,4,16,所以 a=−1,−2,−4(负整数)。
然后 b=−16/a2:
现在,检查这些是否确实满足原不等式。
首先,a=−1,b=−16,所以 c=−b=16,c=4,4/a=4/(−1)=−4,且 −c=−4,相等,成立。
现在,f(x)=(−x−4)(x2−16)?因为 ax−4=−1⋅x−4=−x−4,且 x2+b=x2−16。
所以 f(x)=(−x−4)(x2−16)。
现在,x2−16=(x−4)(x+4),所以 f(x)=(−x−4)(x−4)(x+4)。
但 −x−4=−(x+4),所以 f(x)=−(x+4)(x−4)(x+4)=−(x+4)2(x−4)。
对于 x≤0,(x+4)2≥0 恒成立,且当 x=−4 时 >0。
x−4:因为 x≤0<4,所以 x−4<0。
因此,f(x)=−[正数或零]×[负数]。
设 g(x)=(x+4)2>0 对于 x=−4,且在 x=−4 时为零。
h(x)=x−4<0 对于 x≤0。
所以 f(x)=−g(x)h(x)。
g(x)>0,h(x)<0,所以 g(x)h(x)<0(正乘负=负),然后 −(负数)=正数。
在 x=−4 时,f(−4)=−(−4+4)2(−4−4)=−(0)(−8)=0。
在 x=0 时,f(0)=−(0+4)2(0−4)=−(16)(−4)=64>0。
当 x→−∞,f(x)→−(x2)(x)×(−1) 等等,但之前我们知道它趋于 +∞。
更简单:f(x)=−(x+4)2(x−4)。
对于 x<4,x−4<0,所以 −(x−4)>0,且 (x+4)2≥0,所以乘积 ≥0,且在 x=−4 时 >0,在 x=−4 时为零。
因此,对于所有 x,f(x)≥0?不,对于 x>4,x−4>0,所以 −(x−4)<0,且 (x+4)2>0,所以 f(x)<0,但我们的定义域是 x≤0,在 x≤0 时,如上所述,f(x)≥0 成立。
很好。
现在,类似地,检查 a=−2,b=−4。
所以 f(x)=(−2x−4)(x2−4)。
ax−4=−2x−4=−2(x+2)。
x2+b=x2−4=(x−2)(x+2)。
所以 f(x)=−2(x+2)(x−2)(x+2)=−2(x+2)2(x−2)。
对于 x≤0,(x+2)2≥0,当 x=−2 时 >0。
x−2:因为 x≤0<2,所以 x−2<0。
因此,f(x)=−2×[正数或零]×[负数]。
所以,[正数]×[负数]=负数,然后 −2×负数=正数。
在 x=−2 时,f(−2)=−2(0)(−4)=0。
在 x=0 时,f(0)=−2(4)(−2)=−2×4×(−2)=16>0。
当 x→−∞,f(x)→−2×x2×x=−2x3→+∞(因为 x3→−∞)。
所以是的,对于 x≤0,f(x)≥0。
现在,a=−4,b=−1。
f(x)=(−4x−4)(x2−1)=−4(x+1)(x−1)(x+1)?等等。
ax−4=−4x−4=−4(x+1)。
x2+b=x2−1=(x−1)(x+1)。
所以 f(x)=−4(x+1)(x−1)(x+1)=−4(x+1)2(x−1)。
对于 x≤0,(x+1)2≥0,当 x=−1 时 >0。
x−1:因为 x≤0<1,所以 x−1<0。
因此,f(x)=−4×[正数或零]×[负数]=−4×(负数)=正数(因为负乘负)。
在 x=−1 时,f(−1)=−4(0)(−2)=0。
在 x=0 时,f(0)=−4(1)(−1)=4>0。
很好。
所以,我们有三种可能性:
现在,问题是 a+b 不可能取哪些值,选项为 A. -7, B. -6, C. -5, D. -17。
从上面看,我们有 a+b=−17,−6,−5。
但 -7 不在其中。
是否有其他可能性?
之前我假设当 b<0 时,必须有 4/a=−c 且 b=−16/a2,但这是否必要?
我假设如果根不重合,那么函数在某个区间内为负。
例如,假设 a<0,b<0,但 4/a=−c。
设 r1=4/a<0,r2=−c<0,且 r1=r2。
假设 r1<r2<0。
那么,对于 x<r1,由于首项系数 a<0,且是奇次根,f(x)>0?让我们测试一个点。
例如,取 x=r1−1<r1。
但或许考虑符号。
三次函数 f(x)=(ax−4)(x2−c)。
根在 r1 和 r2,且由于首项系数 a<0,当 x→∞ 时 f(x)→−∞,当 x→−∞ 时 f(x)→+∞。
对于两个负根 r1<r2<0,那么符号变化:在 r1 处,从正变负?标准:对于三次函数,如果有两个实根, say r1 < r2,那么当 x < r1 时,f(x) 与首项系数同号(因为 x^3 项主导),所以如果 a<0,则当 x < r1 时 f(x) <0?不对。
首项系数是 a(x^3 的系数),所以当 x → ∞ 时,f(x) → -∞(因为 a<0),当 x → -∞ 时,f(x) → +∞(a<0,x^3→-∞,负乘负=正)。
在根处:在 r1 处,由于是奇重数(可能是单根),符号变化。
假设 r1 和 r2 都是单根,那么:
当 x < r1 时,f(x) >0(因为趋于 +∞)
在 r1 和 r2 之间,f(x) <0(因为在 r1 处由正变负,在 r2 处由负变正?)
在 r1 处,如果是最小根,且 a<0,那么当 x 增加经过 r1 时,f 由正变负。
然后在 r2 处,由负变正。
所以,在区间 (r1, r2) 内,f(x) <0。
现在,如果 r1 和 r2 都小于 0,且 r1 < r2,那么 (r1, r2) 是 x≤0 的子集(因为 r2<0),所以在 (r1, r2) 内,f(x) <0,违反 f(x) ≥0 的条件。
类似地,如果 r2 < r1 <0,那么 r1 是较大根,所以当 x 增加经过 r2 时,f 由正变负(如果 r2 是单根),然后在 r1 处由负变正。所以同样,在 (r2, r1) 内 f(x)<0,而 (r2, r1) 在 x≤0 内。
因此,只有当根重合时,即 r1 = r2 时,才没有区间为负。
如果三个实根,但这里只有两个因子,所以最多两个实根?不,ax-4 和 x^2 -c 各有一个实根(x^2-c 有两个实根,但一个是负的)。
f(x) 是三次函数,所以可能有一个或三个实根。
但在 x≤0 上,我们有根在 4/a 和 -√c。
如果 4/a = -√c,那么是重根。
否则,如果它们不同,那么有两个不同的实根,如上所述,在它们之间 f(x)<0。
如果有一个实根(但这里 x^2 -c 对于 c>0 总有两个实根,ax-4 总有一个实根,所以 f(x) 总有两个或三个实根?不。
例如,如果 ax-4 和 x^2 -c 有公共根,但否则,三个实根?不。
设 g(x) = ax-4,h(x)=x^2 -c。
g 有根 r1=4/a,h 有根 ±√c。
所以 f(x)=g(x)h(x),所以在 r1 和 ±√c 处为零。
如果 r1 ≠ -√c 且 r1 ≠ √c,那么三个不同的根,但 √c >0,而 r1<0,所以 r1 ≠ √c 恒成立。所以如果 r1 ≠ -√c,那么三个不同的根:r1, -√c, √c。
但在 x≤0 上,根在 r1 和 -√c。
现在,由于有三个不同的实根,且首项系数 a<0,所以符号变化:在 r1(最小)处由正变负,在 -√c 处由负变正,在 √c 处由正变负?根的顺序。
假设 r1 < -√c <0 < √c。
那么,当 x < r1 时,f(x) >0(趋于 +∞)。
在 x=r1 处,f=0,且由正变负(因为下一个根在 -√c > r1)。
在 (r1, -√c) 内,f(x) <0。
在 x= -√c 处,f=0,且由负变正(因为下一个根在 √c >0)。
在 (-√c, √c) 内,f(x) >0。
在 x=√c 处,f=0,且由正变负。
在 x>√c 时,f(x)<0。
现在,在 x≤0 上,在 (r1, -√c) 内,f(x)<0,所以如果 r1 < -√c,那么在此区间内为负,违反条件。
类似地,如果 -√c < r1 <0,那么根的顺序是 -√c < r1 <0 < √c。
那么,当 x < -√c 时,f(x)>0。
在 x= -√c 处,f=0,且由正变负(因为下一个根在 r1 > -√c)。
在 (-√c, r1) 内,f(x)<0。
在 x=r1 处,f=0,且由负变正(因为下一个根在 √c >0)。
在 (r1, √c) 内,f(x)>0。
在 x>√c 时,f(x)<0。
所以在 ( -√c, r1) 内,f(x)<0,而如果 -√c < r1,此区间在 x≤0 内,所以再次为负。
因此,只有当 r1 = -√c 时,没有区间为负,此时是重根,f(x) 在 x= r1 处有重根,且在 x≤0 上非负。
因此,唯一可能是 4/a = -√c,且 b= -c = - (16 / a^2),a 负整数,a^2 整除 16,所以 a= -1,-2,-4,对应的 b= -16,-4,-1,a+b= -17,-6,-5。
现在,选项中有 -7,不在列表中。
但检查 -7 是否可能。
如果 a+b= -7,a 负整数,b 整数。
从上面看,只有三种情况,a+b 为 -17,-6,-5。
-7 不在其中。
但为了彻底,假设 a+b= -7,a<0,b<0。
那么 b= -7 -a。
现在,c= -b = 7 + a。
现在,需要 4/a = -√c,即 √c = -4/a。
所以 c = 16 / a^2。
但 c=7 + a。
所以 7 + a = 16 / a^2。
由于 a 负整数,设 a= -k,k>0 整数。
那么 7 - k = 16 / k^2。
所以 16 / k^2 = 7 - k。
两边乘以 k^2:16 = (7 - k) k^2。
所以 16 = 7k^2 - k^3。
即 k^3 - 7k^2 + 16 = 0。
现在,k 正整数,解 k^3 - 7k^2 + 16 = 0。
试 k=1:1 - 7 + 16 = 10 ≠ 0
k=2:8 - 28 + 16 = -4 ≠ 0
k=3:27 - 63 + 16 = -20 ≠ 0
k=4:64 - 112 + 16 = -32 ≠ 0
k=5:125 - 175 + 16 = -34 ≠ 0
k=6:216 - 252 + 16 = -20 ≠ 0
k=7:343 - 343 + 16 = 16 ≠ 0
k=8:512 - 448 + 16 = 80 ≠ 0
无整数解。且对于 k≥3,k^3 -7k^2 = k^2(k-7) ≤0(k≤7),但 +16,在 k=2 时 -4+16=12>0?等等,在 k=2 时,8-28+16= -4 <0,k=1 时 1-7+16=10>0,所以在 (1,2) 之间有根,但 k 整数,无解。
因此,没有整数 a 使得 a+b=-7 且满足条件。
类似地,对于其他值,我们有解。
现在,选项 D 是 -17,对应 a=-1,b=-16。
B 是 -6,a=-2,b=-4。
C 是 -5,a=-4,b=-1。
A 是 -7,不可能。
但问题是“不可能取值”,所以 -7 不可能。
但确认所有情况是否都覆盖。
之前当 b≥0 时,我们得出结论不成立,但快速检查。
例如,如果 b=0,a 任何值。
f(x)=(ax-4)(x^2) = x(ax-4)。
对于 x≤0,当 x<0 时,x<0,ax-4:如果 a>0,ax≤0,ax-4≤-4<0,所以 负数乘负数=正数?x<0,ax-4<0,所以 x(ax-4) = 负 × 负 = 正。
在 x=0 时,0。
所以 f(x) = x(ax-4),对于 x<0,如果 a>0,ax-4<0,所以 f(x)>0?x<0,ax-4<0,乘积为正,是的。
但之前我认为当 b=0 且 a>0 时,在 x=0 附近,但让我们检查。
例如,a=1,b=0,f(x)=(x-4)x^2。
对于 x≤0,当 x<0 时,x^2>0,x-4<0(因为 x≤0<4),所以 (负)(正)=负?f(x)=(x-4)x^2。
x^2 总是非负。
x-4:对于 x≤0<4,x-4<0。
所以 (负数) × (非负) = 非正。
在 x=0 时,f(0)=(-4)(0)=0。
当 x<0 时,例如 x=-1,f(-1)=(-1-4)(1)= (-5)(1)= -5 <0,但需要 ≥0,不满足。
是的,所以为负。
如果 a<0,b=0,f(x)=(ax-4)x^2。
对于 x<0,x^2>0,ax-4:如果 a<0,ax>0(因为 x<0),所以 ax-4 可能正可能负。
在 x=4/a 处,但由于 a<0,4/a<0。
例如,a=-1,b=0,f(x)=(-x-4)x^2。
在 x=-1 时,f(-1)=(-(-1)-4)(1)=(1-4)(1)= -3<0。
在 x=0 时,0。
所以再次为负。
因此,确实,只有当 b<0 且 a<0 且 4/a = -√(-b) 时成立。
因此,a+b 的可能值为 -17, -6, -5。
所以不可能的是 -7。
因此,答案是 A. -7。
但选项中 D 是 -17,这是可能的。
所以问题要求“不可能取值”,所以是 -7。
现在,确认选项:A. -7, B. -6, C. -5, D. -17。
所以 A 是 -7,不可能。
在答案中,应选择 A。
但问题是“不可能取值”,所以是 A。
现在,框出答案。
所以,最终答案是 A. -7。
要解决不等式 (ax−4)(x2+b)≥0 对任意 x∈(−∞,0] 恒成立的问题,需找到整数 a,b 使得条件满足,并分析 a+b 的可能取值。
由于 x≤0,则 x2≥0,因此:
由于 x≤0,则:
此时 x2+b≥0,不等式等价于 ax−4≥0 对所有 x≤0 成立。但:
此时 x2+b=x2−c(c=−b>0),需 (ax−4)(x2−c)≥0 对所有 x≤0 成立。分析 a 的符号:
设 a<0,b=−c(c>0),则不等式为 (ax−4)(x2−c)≥0 对所有 x≤0 成立。
函数 f(x)=(ax−4)(x2−c) 是三次函数,当 x→−∞ 时 f(x)→+∞(因 a<0,x3→−∞,负负得正),在 x=0 时 f(0)=4c>0。
若 x1=x2,则 f(x) 在 x≤0 的某区间内为负(因三次函数在根之间变号),不满足 ≥0。因此,必须 x1=x2,即:
4/a=−c
两边平方得 c=16/a2,结合 b=−c,得:
b=−16/a2
a 为负整数,b 为整数,故 a2 必须是 16 的约数。16 的约数为 1,2,4,8,16,对应负整数 a=−1,−2,−4:
选项中 a+b 的可能值为 −17,−6,−5,而 −7 不在上述解中。进一步验证:
假设 a+b=−7,a<0,b<0,则 b=−7−a,c=7+a。代入 c=16/a2 得:
7+a=16/a2
令 a=−k(k>0 整数),则 7−k=16/k2,即 k3−7k2+16=0。试整数 k 无解,故 −7 不可能。
a+b 的可能取值为 −17,−6,−5,不可能取值为 −7,对应选项 A。
A