已知函数f(x)=(({e^x)})/(x)-lnx+x-a.(1)若f(x)≥0,求a的取值范围;(2)证明:若f(x)有两个零点x1,x2,则x1x2<1.
(1)若f(x)≥0,求a的取值范围;
(2)证明:若f(x)有两个零点x1,x2,则x1x2<1.
题目解答
答案
令f′(x)>0,解得x>1,故函数f(x)在(0,1)单调递减,(1,+∞)单调递增,
故f(x)min=f(1)=e+1-a,要使得f(x)≥0恒成立,仅需e+1-a≥0,
故a≤e+1,故a的取值范围是(-∞,e+1];
(2)证明:由已知有函数f(x)要有两个零点,故f(1)=e+1-a<0,即a>e+1,
不妨设0<x1<1<x2,要证明x1x2<1,即证明${x}_{2}<\frac{1}{{x}_{1}}$,
∵0<x1<1,∴$\frac{1}{{x}_{1}}>1$,
即证明:$1<{x}_{2}<\frac{1}{{x}_{1}}$,又因为f(x)在(1,+∞)单调递增,
即证明:$f({x}_{2})<f(\frac{1}{{x}_{1}})$⇔$f({x}_{1})<f(\frac{1}{{x}_{1}})$,
构造函数$h(x)=f(x)-f(\frac{1}{x})$,0<x<1,
h′(x)=f′(x)-[f($\frac{1}{x}$)]′=$\frac{(x-1)({e}^{x}+x-x{e}^{\frac{1}{x}}-1)}{{x}^{2}}$,
构造函数m(x)=${e}^{x}+x-x{e}^{\frac{1}{x}}-1$,
$m′(x)={e}^{x}+1-{e}^{\frac{1}{x}}(1-\frac{1}{x})$,因为0<x<1,所以$1-\frac{1}{x}<0$,
故m′(x)>0在(0,1)恒成立,故m(x)在(0,1)单调递增,
故m(x)<m(1)=0
又因为x-1<0,故h′(x)>0在(0,1)恒成立,故h(x)在(0,1)单调递增,
又因为h(1)=0,故h(x)<h(1)=0,
故$f({x}_{1})<f(\frac{1}{{x}_{1}})$,即x1x2<1.得证.
解析
考查要点:本题主要考查利用导数研究函数的单调性与最值,以及构造函数法证明不等式。
解题思路:
- 第一问:通过求导确定函数的单调区间,找到最小值,进而通过最小值非负求参数范围。
- 第二问:利用零点存在性定理分析零点位置,构造对称性表达式,结合函数单调性进行放缩。
关键点:
- 导数法求最值是解决第一问的核心;
- 构造辅助函数并分析其单调性是第二问的破题关键。
第(1)题
求导分析单调性
函数定义域为 $(0,+\infty)$,求导得:
$f'(x) = \frac{(e^x + x)(x - 1)}{x^2}.$
令 $f'(x) > 0$,解得 $x > 1$,故 $f(x)$ 在 $(0,1)$ 单调递减,在 $(1,+\infty)$ 单调递增。
求最小值
函数在 $x=1$ 处取得最小值:
$f(1) = e + 1 - a.$
确定参数范围
若 $f(x) \geq 0$ 恒成立,只需 $f(1) \geq 0$,即 $a \leq e + 1$。
第(2)题
分析零点位置
由 $f(x)$ 有两个零点,可知 $f(1) = e + 1 - a < 0$,即 $a > e + 1$。设 $0 < x_1 < 1 < x_2$,需证 $x_1 x_2 < 1$。
构造对称性表达式
等价于证明 $x_2 < \frac{1}{x_1}$。因 $f(x)$ 在 $(1,+\infty)$ 单调递增,只需证 $f\left(\frac{1}{x_1}\right) > 0$。
构造辅助函数
定义 $h(x) = f(x) - f\left(\frac{1}{x}\right)$,分析其导数:
$h'(x) = \frac{(x - 1)(e^x + x - x e^{1/x} - 1)}{x^2}.$
进一步构造 $m(x) = e^x + x - x e^{1/x} - 1$,分析得 $m(x)$ 在 $(0,1)$ 单调递增且 $m(x) < 0$,故 $h'(x) > 0$,即 $h(x)$ 在 $(0,1)$ 单调递增。
得出结论
由 $h(1) = 0$ 且 $h(x) < 0$ 在 $(0,1)$ 内,得 $f(x_1) < f\left(\frac{1}{x_1}\right)$,结合单调性可证 $x_1 x_2 < 1$。