题目
已知函数f(x)=ax-(1)/(x)-(a+1)lnx.(1)当a=0时,求f(x)的最大值;(2)若f(x)恰有一个零点,求a的取值范围.
已知函数f(x)=ax-$\frac{1}{x}$-(a+1)lnx.
(1)当a=0时,求f(x)的最大值;
(2)若f(x)恰有一个零点,求a的取值范围.
(1)当a=0时,求f(x)的最大值;
(2)若f(x)恰有一个零点,求a的取值范围.
题目解答
答案
解:(1)当a=0时,$f(x)=-\frac{1}{x}-lnx(x>0)$,则${f}'(x)=\frac{1}{{x}^{2}}-\frac{1}{x}=\frac{1-x}{{x}^{2}}$,
易知函数f(x)在(0,1)上单调递增,在(1,+∞)上单调递减,
∴f(x)在x=1处取得极大值,同时也是最大值,
∴函数f(x)的最大值为f(1)=-1;
(2)${f}'(x)=a+\frac{1}{{x}^{2}}-\frac{a+1}{x}=\frac{a{x}^{2}-(a+1)x+1}{{x}^{2}}$=$\frac{(x-1)(ax-1)}{{x}^{2}}$,
①当a=0时,由(1)可知,函数f(x)无零点;
②当a<0时,易知函数f(x)在(0,1)上单调递增,在(1,+∞)上单调递减,
又f(1)=a-1<0,故此时函数f(x)无零点;
③当0<a<1时,易知函数f(x)在$(0,1),(\frac{1}{a},+∞)$上单调递增,在$(1,\frac{1}{a})$单调递减,
且f(1)=a-1<0,$f(\frac{1}{a})=1-a+(a+1)lna<0$,
又由(1)可得,$\frac{1}{x}+lnx≥1$,即$ln\frac{1}{x}≥1-x$,则lnx<x,$ln\sqrt{x}<\sqrt{x}$,则$lnx<2\sqrt{x}$,
当x>1时,$f(x)=ax-\frac{1}{x}-(a+1)lnx>ax-\frac{1}{x}-2(a+1)•\sqrt{x}>ax-(2a+3)\sqrt{x}$,
故存在$m=(\frac{3}{a}+2)^{2}>\frac{1}{a}$,使得f(m)>0,
∴此时f(x)在(0,+∞)上存在唯一零点;
④当a=1时,${f}'(x)=\frac{(x-1)^{2}}{{x}^{2}}≥0$,函数f(x)在(0,+∞)上单调递增,
又f(1)=0,故此时函数f(x)有唯一零点;
⑤当a>1时,易知函数f(x)在$(0,\frac{1}{a}),(1,+∞)$上单调递增,在$(\frac{1}{a},1)$上单调递减,
且f(1)=a-1>0,
又由(1)可得,当0<x<1时,$lnx>1-\frac{1}{x}$,则$ln\sqrt{x}>1-\frac{1}{\sqrt{x}}$,则$lnx>2(1-\frac{1}{\sqrt{x}})$,
此时$f(x)=ax-\frac{1}{x}-2(a+1)(1-\frac{1}{\sqrt{x}})<-\frac{1}{x}+\frac{2(a+1)}{\sqrt{x}}$,
故存在$n=\frac{1}{4(a+1)^{2}}<\frac{1}{a}$,使得f(n)<0,
故函数f(x)在(0,+∞)上存在唯一零点;
综上,实数a的取值范围为(0,+∞).
易知函数f(x)在(0,1)上单调递增,在(1,+∞)上单调递减,
∴f(x)在x=1处取得极大值,同时也是最大值,
∴函数f(x)的最大值为f(1)=-1;
(2)${f}'(x)=a+\frac{1}{{x}^{2}}-\frac{a+1}{x}=\frac{a{x}^{2}-(a+1)x+1}{{x}^{2}}$=$\frac{(x-1)(ax-1)}{{x}^{2}}$,
①当a=0时,由(1)可知,函数f(x)无零点;
②当a<0时,易知函数f(x)在(0,1)上单调递增,在(1,+∞)上单调递减,
又f(1)=a-1<0,故此时函数f(x)无零点;
③当0<a<1时,易知函数f(x)在$(0,1),(\frac{1}{a},+∞)$上单调递增,在$(1,\frac{1}{a})$单调递减,
且f(1)=a-1<0,$f(\frac{1}{a})=1-a+(a+1)lna<0$,
又由(1)可得,$\frac{1}{x}+lnx≥1$,即$ln\frac{1}{x}≥1-x$,则lnx<x,$ln\sqrt{x}<\sqrt{x}$,则$lnx<2\sqrt{x}$,
当x>1时,$f(x)=ax-\frac{1}{x}-(a+1)lnx>ax-\frac{1}{x}-2(a+1)•\sqrt{x}>ax-(2a+3)\sqrt{x}$,
故存在$m=(\frac{3}{a}+2)^{2}>\frac{1}{a}$,使得f(m)>0,
∴此时f(x)在(0,+∞)上存在唯一零点;
④当a=1时,${f}'(x)=\frac{(x-1)^{2}}{{x}^{2}}≥0$,函数f(x)在(0,+∞)上单调递增,
又f(1)=0,故此时函数f(x)有唯一零点;
⑤当a>1时,易知函数f(x)在$(0,\frac{1}{a}),(1,+∞)$上单调递增,在$(\frac{1}{a},1)$上单调递减,
且f(1)=a-1>0,
又由(1)可得,当0<x<1时,$lnx>1-\frac{1}{x}$,则$ln\sqrt{x}>1-\frac{1}{\sqrt{x}}$,则$lnx>2(1-\frac{1}{\sqrt{x}})$,
此时$f(x)=ax-\frac{1}{x}-2(a+1)(1-\frac{1}{\sqrt{x}})<-\frac{1}{x}+\frac{2(a+1)}{\sqrt{x}}$,
故存在$n=\frac{1}{4(a+1)^{2}}<\frac{1}{a}$,使得f(n)<0,
故函数f(x)在(0,+∞)上存在唯一零点;
综上,实数a的取值范围为(0,+∞).
解析
考查要点:本题主要考查利用导数研究函数的极值及零点问题,涉及函数单调性分析、极值点判断以及分类讨论思想。
解题思路:
- 第一问:当$a=0$时,函数简化为$f(x) = -\frac{1}{x} - \ln x$,通过求导确定单调性,找到极大值点,进而求最大值。
- 第二问:对参数$a$进行分类讨论,分析函数$f(x)$的导数$f'(x)$的符号变化,确定函数的单调区间和极值点,结合极值点的函数值符号及函数在无穷远处的趋势,判断零点个数。
破题关键:
- 导数分解:将$f'(x)$分解为$\frac{(x-1)(ax-1)}{x^2}$,明确临界点$x=1$和$x=\frac{1}{a}$的位置关系。
- 极值点分析:通过极值点的函数值符号及函数趋势,判断是否存在零点。
第(1)题
当$a=0$时,$f(x) = -\frac{1}{x} - \ln x$,定义域为$x > 0$。
求导并分析单调性
$f'(x) = \frac{1}{x^2} - \frac{1}{x} = \frac{1 - x}{x^2}$
- 当$0 < x < 1$时,$f'(x) > 0$,函数单调递增;
- 当$x > 1$时,$f'(x) < 0$,函数单调递减。
极值点与最大值
函数在$x=1$处取得极大值,即最大值:
$f(1) = -1 - \ln 1 = -1$
第(2)题
求导并分解:
$f'(x) = a + \frac{1}{x^2} - \frac{a+1}{x} = \frac{(x-1)(ax-1)}{x^2}$
情况分类讨论
① 当$a = 0$时
由第(1)题可知,$f(x)$在$x=1$处取得最大值$-1$,无零点。
② 当$a < 0$时
- 临界点$x=1$,$x=\frac{1}{a}$(舍去,因$\frac{1}{a} < 0$)。
- 函数在$(0,1)$递增,在$(1,+\infty)$递减,且$f(1) = a - 1 < 0$,无零点。
③ 当$0 < a < 1$时
- 临界点$x=1$和$x=\frac{1}{a}$($\frac{1}{a} > 1$)。
- 函数在$(0,1)$递增,在$(1,\frac{1}{a})$递减,在$(\frac{1}{a},+\infty)$递增。
- 极值点$f(1) = a - 1 < 0$,$f(\frac{1}{a}) < 0$,但当$x \to +\infty$时$f(x) \to +\infty$,故存在唯一零点。
④ 当$a = 1$时
- $f'(x) = \frac{(x-1)^2}{x^2} \geq 0$,函数在$(0,+\infty)$单调递增。
- $f(1) = 0$,故唯一零点为$x=1$。
⑤ 当$a > 1$时
- 临界点$x=\frac{1}{a}$和$x=1$($\frac{1}{a} < 1$)。
- 函数在$(0,\frac{1}{a})$递增,在$(\frac{1}{a},1)$递减,在$(1,+\infty)$递增。
- $f(1) = a - 1 > 0$,当$x \to 0^+$时$f(x) \to +\infty$,故存在唯一零点。
结论:当$a > 0$时,$f(x)$恰有一个零点。