已知函数f(x)=ln(x)/(2-x)+ax+b(x-1)3.(1)若b=0,且f′(x)≥0,求a的最小值;(2)证明:曲线y=f(x)是中心对称图形;(3)若f(x)>-2当且仅当1<x<2,求b的取值范围.
(1)若b=0,且f′(x)≥0,求a的最小值;
(2)证明:曲线y=f(x)是中心对称图形;
(3)若f(x)>-2当且仅当1<x<2,求b的取值范围.
题目解答
答案
所以函数f(x)的定义域为(0,2),
当b=0时,$f(x)=ln\frac{x}{2-x}+ax$,
所以$f'(x)=\frac{1}{x}+\frac{1}{2-x}+a≥0$,对∀0<x<2恒成立,
又$\frac{1}{x}+\frac{1}{2-x}+a=\frac{2}{x(2-x)}+a≥2+a$,当且仅当x=1时取“=”,
所以只需2+a≥0,即a≥-2,
所以a的最小值为-2.
(2)证明:x∈(0,2),f(2-x)+f(x)=$ln\frac{2-x}{x}+a(2-x)+b(1-x)^3+ln\frac{x}{2-x}+ax+b(x-1)^3=2a$,
所以f(x)关于点(1,a)中心对称.
(3)因为f(x)>-2当且仅当1<x<2,
所以f(1)=-2,即a=-2,
所以$f(x)=ln\frac{x}{2-x}-2x+b(x-1)^3>-2$对∀1<x<2恒成立,
$f'(x)=\frac{1}{x}+\frac{1}{2-x}-2+3b(x-1)=\frac{2(x-1)^{2}}{x(2-x)}+3b(x-1)^{2}=(x-1)^{2}[\frac{2}{x(2-x)}+3b]$,
令$g(x)=\frac{2}{x(2-x)}+3b$,
所以必有g(1)=2+3b≥0,得到b≥-$\frac{2}{3}$(必要性),
否则$b<-\frac{2}{3}$,存在x∈(1,δ)使f′(x)<0,f(x)在(1,2)上单调递减,
所以f(x)<f(1)=-2,
当$b≥-\frac{2}{3}$ 时,对∀x∈(1,2),$f(x)≥ln\frac{x}{2-x}-2x-\frac{2}{3}(x-1)^3=h(x)$,
$h'(x)=\frac{2(x-1)^2}{x(2-x)}-2(x-1)^2=2(x-1)^2[\frac{1}{x(2-x)}-1]>0$,对∀x∈(1,2)恒成立,
所以h(x)>h(1)=-2符合题意,
综上所述:$b≥-\frac{2}{3}$,
所以b的取值范围为[-$\frac{2}{3}$,+∞).
解析
(1)求参数最小值
本题考查导数的恒成立问题。关键点在于将导数表达式化简,找到其最小值,从而确定参数$a$的范围。核心思路是通过不等式变形,结合极值点分析,找到$a$的最小值。
(2)证明中心对称性
中心对称的定义是关键:若点$(x,y)$在曲线上,则点$(2-x, 2a - y)$也在曲线上。破题点是计算$f(2-x) + f(x)$,验证其是否为常数。
(3)参数取值范围分析
本题需结合函数单调性和极值分析。核心步骤是通过必要条件$f(1) = -2$确定$a$的值,再构造辅助函数分析导数符号,最终确定$b$的范围。
第(1)题
定义域分析
由$\frac{x}{2-x} > 0$得$0 < x < 2$,故定义域为$(0, 2)$。
导数计算
当$b=0$时,$f(x) = \ln\frac{x}{2-x} + ax$,导数为:
$f'(x) = \frac{1}{x} + \frac{1}{2-x} + a.$
不等式恒成立
将$\frac{1}{x} + \frac{1}{2-x}$化简为$\frac{2}{x(2-x)}$,其最小值在$x=1$时取得,为$2$。因此:
$f'(x) \geq 2 + a \geq 0 \implies a \geq -2.$
结论
$a$的最小值为$-2$。
第(2)题
对称性验证
计算$f(2-x) + f(x)$:
$\begin{aligned}f(2-x) + f(x) &= \ln\frac{2-x}{x} + a(2-x) + b(1-x)^3 \\&\quad + \ln\frac{x}{2-x} + ax + b(x-1)^3 \\&= \ln\left(\frac{2-x}{x} \cdot \frac{x}{2-x}\right) + 2ax \\&= 0 + 2ax = 2a.\end{aligned}$
因此,曲线关于点$(1, a)$中心对称。
第(3)题
必要条件分析
由$f(x) > -2$当且仅当$1 < x < 2$,得$f(1) = -2$,代入得:
$\ln\frac{1}{1} + a \cdot 1 + b \cdot 0 = -2 \implies a = -2.$
函数与导数分析
此时$f(x) = \ln\frac{x}{2-x} - 2x + b(x-1)^3$,导数为:
$f'(x) = \frac{2}{x(2-x)} - 2 + 3b(x-1)^2.$
令$g(x) = \frac{2}{x(2-x)} + 3b$,需保证$f'(x) \geq 0$在$(1, 2)$内恒成立。
必要性分析
若$b < -\frac{2}{3}$,则$g(1) = 2 + 3b < 0$,导致$f'(x) < 0$,$f(x)$在$(1, 2)$递减,与$f(x) > -2$矛盾。因此$b \geq -\frac{2}{3}$。
充分性分析
当$b \geq -\frac{2}{3}$时,构造辅助函数$h(x) = \ln\frac{x}{2-x} - 2x - \frac{2}{3}(x-1)^3$,其导数$h'(x) > 0$,故$h(x) > h(1) = -2$,满足条件。
结论
$b$的取值范围为$[-\frac{2}{3}, +\infty)$。