题目
已知函数f(x)=aex-1-lnx+lna.(1)当a=e时,求曲线y=f(x)在点(1,f(1))处的切线与两坐标轴围成的三角形的面积;(2)若f(x)≥1,求a的取值范围.
已知函数f(x)=aex-1-lnx+lna.
(1)当a=e时,求曲线y=f(x)在点(1,f(1))处的切线与两坐标轴围成的三角形的面积;
(2)若f(x)≥1,求a的取值范围.
(1)当a=e时,求曲线y=f(x)在点(1,f(1))处的切线与两坐标轴围成的三角形的面积;
(2)若f(x)≥1,求a的取值范围.
题目解答
答案
解:(1)当a=e时,f(x)=ex-lnx+1,
∴f′(x)=ex-$\frac{1}{x}$,
∴f′(1)=e-1,
∵f(1)=e+1,
∴曲线y=f(x)在点(1,f(1))处的切线方程为y-(e+1)=(e-1)(x-1),
当x=0时,y=2,当y=0时,x=$\frac{-2}{\;e-1}$,
∴曲线y=f(x)在点(1,f(1))处的切线与两坐标轴围成的三角形的面积S=$\frac{1}{2}$×2×$\frac{2}{e-1}$=$\frac{2}{e-1}$.
(2)方法一:由f(x)≥1,可得aex-1-lnx+lna≥1,即ex-1+lna-lnx+lna≥1,
即ex-1+lna+lna+x-1≥lnx+x=elnx+lnx,
令g(t)=et+t,
则g′(t)=et+1>0,
∴g(t)在R上单调递增,
∵g(lna+x-1)≥g(lnx)
∴lna+x-1≥lnx,
即lna≥lnx-x+1,
令h(x)=lnx-x+1,
∴h′(x)=$\frac{1}{x}$-1=$\frac{1-x}{x}$,
当0<x<1时,h′(x)>0,函数h(x)单调递增,
当x>1时,h′(x)<0,函数h(x)单调递减,
∴h(x)≤h(1)=0,
∴lna≥0,
∴a≥1,
故a的范围为[1,+∞).
方法二:由f(x)≥1可得aex-1-lnx+lna≥1,x>0,a>0,
即aex-1-1≥lnx-lna,
设g(x)=ex-x-1,
∴g′(x)=ex-1>0恒成立,
∴g(x)在(0,+∞)单调递增,
∴g(x)>g(0)=1-0-1=0,
∴ex-x-1>0,
即ex>x+1,
再设h(x)=x-1-lnx,
∴h′(x)=1-$\frac{1}{x}$=$\frac{x-1}{x}$,
当0<x<1时,h′(x)<0,函数h(x)单调递减,
当x>1时,h′(x)>0,函数h(x)单调递增,
∴h(x)≥h(1)=0,
∴x-1-lnx≥0,
即x-1≥lnx
∴ex-1≥x,则aex-1≥ax,
此时只需要证ax≥x-lna,
即证x(a-1)≥-lna,
当a≥1时,
∴x(a-1)>0>-lna恒成立,
当0<a<1时,x(a-1)<0<-lna,此时x(a-1)≥-lna不成立,
综上所述a的取值范围为[1,+∞).
方法三:由题意可得x∈(0,+∞),a∈(0,+∞),
∴f′(x)=aex-1-$\frac{1}{x}$,
易知f′(x)在(0,+∞)上为增函数,
①当0<a<1时,f′(1)=a-1<0,f′($\frac{1}{a}$)=a${e}^{\frac{1}{a}-1}$-a=a(${e}^{\frac{1}{a}-1}$-1)>0,
∴存在x0∈(1,$\frac{1}{a}$)使得f′(x0)=0,
当x∈(1,x0)时,f′(x)<0,函数f(x)单调递减,
∴f(x)<f(1)=a+lna<a<1,不满足题意,
②当a≥1时,ex-1>0,lna>0,
∴f(x)≥ex-1-lnx,
令g(x)=ex-1-lnx,
∴g′(x)=ex-1-$\frac{1}{x}$,
易知g′(x)在(0,+∞)上为增函数,
∵g′(1)=0,
∴当x∈(0,1)时,g′(x)<0,函数g(x)单调递减,
当x∈(1,+∞)时,g′(x)>0,函数g(x)单调递增,
∴g(x)≥g(1)=1,
即f(x)≥1,
综上所述a的取值范围为[1,+∞).
方法四:∵f(x)=aex-1-lnx+lna,x>0,a>0,
∴f′(x)=aex-1-$\frac{1}{x}$,易知f′(x)在(0,+∞)上为增函数,
∵y=aex-1在(0,+∞)上为增函数,y=$\frac{1}{x}$在0,+∞)上为减函数,
∴y=aex-1与y=$\frac{1}{x}$在0,+∞)上有交点,
∴存在x0∈(0,+∞),使得f′(x0)=a${e}^{{x}_{0}-1}$-$\frac{1}{{x}_{0}}$=0,
则a${e}^{{x}_{0}-1}$=$\frac{1}{{x}_{0}}$,则lna+x0-1=-lnx0,即lna=1-x0-lnx0,
当x∈(0,x0)时,f′(x)<0,函数f(x)单调递减,
当x∈(x0,+∞)时,f′(x)>0,函数f(x)单调递增,
∴f(x)≥f(x0)=a${e}^{{x}_{0}-1}$-lnx0+lna
=$\frac{1}{{x}_{0}}$-lnx0+1-x0-lnx0=$\frac{1}{{x}_{0}}$-2lnx0+1-x0≥1
∴$\frac{1}{{x}_{0}}$-2lnx0-x0≥0
设g(x)=$\frac{1}{\;x}$-2lnx-x,
易知函数g(x)在(0,+∞)上单调递减,且g(1)=1-0-1=0,
∴当x∈(0,1]时,g(x)≥0,
∴x0∈(0,1]时,$\frac{1}{{x}_{0}}$-2lnx0-x0≥0,
设h(x)=1-x-lnx,x∈(0,1],
∴h′(x)=-1-$\frac{1}{x}$<0恒成立,
∴h(x)在(0,1]上单调递减,
∴h(x)≥h(1)=1-1-ln1=0,
当x→0时,h(x)→+∞,
∴lna≥0=ln1,
∴a≥1.
方法五:f(x)≥1等价于aex-1-lnx+lna≥1,该不等式恒成立.
当x=1时,有a+lna≥1,其中a>0.
设g(a)=a+lna-1,则g'(a)=1+$\frac{1}{a}$>0,
则g(a)单调递增,且g(1)=0.
所以若a+lna≥1成立,则必有a≥1.
∴下面证明当a≥1时,f(x)≥1成立.
设h(x)=ex-x-1,
∴h′(x)=ex-1,
∴h(x)在(-∞,0)单调递减,在(0,+∞)单调递增,
∴h(x)≥h(0)=1-0-1=0,
∴ex-x-1≥0,
即ex≥x+1,
把x换成x-1得到ex-1≥x,
∵x-1≥lnx,∴x-lnx≥1.
∴f(x)=aex-1-lnx+lna≥ex-1-lnx≥x-lnx≥1,当x=1时等号成立.
综上,a≥1.
∴f′(x)=ex-$\frac{1}{x}$,
∴f′(1)=e-1,
∵f(1)=e+1,
∴曲线y=f(x)在点(1,f(1))处的切线方程为y-(e+1)=(e-1)(x-1),
当x=0时,y=2,当y=0时,x=$\frac{-2}{\;e-1}$,
∴曲线y=f(x)在点(1,f(1))处的切线与两坐标轴围成的三角形的面积S=$\frac{1}{2}$×2×$\frac{2}{e-1}$=$\frac{2}{e-1}$.
(2)方法一:由f(x)≥1,可得aex-1-lnx+lna≥1,即ex-1+lna-lnx+lna≥1,
即ex-1+lna+lna+x-1≥lnx+x=elnx+lnx,
令g(t)=et+t,
则g′(t)=et+1>0,
∴g(t)在R上单调递增,
∵g(lna+x-1)≥g(lnx)
∴lna+x-1≥lnx,
即lna≥lnx-x+1,
令h(x)=lnx-x+1,
∴h′(x)=$\frac{1}{x}$-1=$\frac{1-x}{x}$,
当0<x<1时,h′(x)>0,函数h(x)单调递增,
当x>1时,h′(x)<0,函数h(x)单调递减,
∴h(x)≤h(1)=0,
∴lna≥0,
∴a≥1,
故a的范围为[1,+∞).
方法二:由f(x)≥1可得aex-1-lnx+lna≥1,x>0,a>0,
即aex-1-1≥lnx-lna,
设g(x)=ex-x-1,
∴g′(x)=ex-1>0恒成立,
∴g(x)在(0,+∞)单调递增,
∴g(x)>g(0)=1-0-1=0,
∴ex-x-1>0,
即ex>x+1,
再设h(x)=x-1-lnx,
∴h′(x)=1-$\frac{1}{x}$=$\frac{x-1}{x}$,
当0<x<1时,h′(x)<0,函数h(x)单调递减,
当x>1时,h′(x)>0,函数h(x)单调递增,
∴h(x)≥h(1)=0,
∴x-1-lnx≥0,
即x-1≥lnx
∴ex-1≥x,则aex-1≥ax,
此时只需要证ax≥x-lna,
即证x(a-1)≥-lna,
当a≥1时,
∴x(a-1)>0>-lna恒成立,
当0<a<1时,x(a-1)<0<-lna,此时x(a-1)≥-lna不成立,
综上所述a的取值范围为[1,+∞).
方法三:由题意可得x∈(0,+∞),a∈(0,+∞),
∴f′(x)=aex-1-$\frac{1}{x}$,
易知f′(x)在(0,+∞)上为增函数,
①当0<a<1时,f′(1)=a-1<0,f′($\frac{1}{a}$)=a${e}^{\frac{1}{a}-1}$-a=a(${e}^{\frac{1}{a}-1}$-1)>0,
∴存在x0∈(1,$\frac{1}{a}$)使得f′(x0)=0,
当x∈(1,x0)时,f′(x)<0,函数f(x)单调递减,
∴f(x)<f(1)=a+lna<a<1,不满足题意,
②当a≥1时,ex-1>0,lna>0,
∴f(x)≥ex-1-lnx,
令g(x)=ex-1-lnx,
∴g′(x)=ex-1-$\frac{1}{x}$,
易知g′(x)在(0,+∞)上为增函数,
∵g′(1)=0,
∴当x∈(0,1)时,g′(x)<0,函数g(x)单调递减,
当x∈(1,+∞)时,g′(x)>0,函数g(x)单调递增,
∴g(x)≥g(1)=1,
即f(x)≥1,
综上所述a的取值范围为[1,+∞).
方法四:∵f(x)=aex-1-lnx+lna,x>0,a>0,
∴f′(x)=aex-1-$\frac{1}{x}$,易知f′(x)在(0,+∞)上为增函数,
∵y=aex-1在(0,+∞)上为增函数,y=$\frac{1}{x}$在0,+∞)上为减函数,
∴y=aex-1与y=$\frac{1}{x}$在0,+∞)上有交点,
∴存在x0∈(0,+∞),使得f′(x0)=a${e}^{{x}_{0}-1}$-$\frac{1}{{x}_{0}}$=0,
则a${e}^{{x}_{0}-1}$=$\frac{1}{{x}_{0}}$,则lna+x0-1=-lnx0,即lna=1-x0-lnx0,
当x∈(0,x0)时,f′(x)<0,函数f(x)单调递减,
当x∈(x0,+∞)时,f′(x)>0,函数f(x)单调递增,
∴f(x)≥f(x0)=a${e}^{{x}_{0}-1}$-lnx0+lna
=$\frac{1}{{x}_{0}}$-lnx0+1-x0-lnx0=$\frac{1}{{x}_{0}}$-2lnx0+1-x0≥1
∴$\frac{1}{{x}_{0}}$-2lnx0-x0≥0
设g(x)=$\frac{1}{\;x}$-2lnx-x,
易知函数g(x)在(0,+∞)上单调递减,且g(1)=1-0-1=0,
∴当x∈(0,1]时,g(x)≥0,
∴x0∈(0,1]时,$\frac{1}{{x}_{0}}$-2lnx0-x0≥0,
设h(x)=1-x-lnx,x∈(0,1],
∴h′(x)=-1-$\frac{1}{x}$<0恒成立,
∴h(x)在(0,1]上单调递减,
∴h(x)≥h(1)=1-1-ln1=0,
当x→0时,h(x)→+∞,
∴lna≥0=ln1,
∴a≥1.
方法五:f(x)≥1等价于aex-1-lnx+lna≥1,该不等式恒成立.
当x=1时,有a+lna≥1,其中a>0.
设g(a)=a+lna-1,则g'(a)=1+$\frac{1}{a}$>0,
则g(a)单调递增,且g(1)=0.
所以若a+lna≥1成立,则必有a≥1.
∴下面证明当a≥1时,f(x)≥1成立.
设h(x)=ex-x-1,
∴h′(x)=ex-1,
∴h(x)在(-∞,0)单调递减,在(0,+∞)单调递增,
∴h(x)≥h(0)=1-0-1=0,
∴ex-x-1≥0,
即ex≥x+1,
把x换成x-1得到ex-1≥x,
∵x-1≥lnx,∴x-lnx≥1.
∴f(x)=aex-1-lnx+lna≥ex-1-lnx≥x-lnx≥1,当x=1时等号成立.
综上,a≥1.