设函数f(x)=1−e−x.
(1)证明:当x>−1时,f(x)⩾;
(2)设当x \geqslant 0时,f(x)\leqslant \dfrac{x}{ax+1},求a的取值范围.
(1)证明 题中不等式即1-\dfrac{1}{{\rm e}^x}\geqslant 1-\dfrac{1}{x+1},于是只需要证明{\rm e} ^x\geqslant x+1,记g(x)={\rm e} ^x-x-1,则其导函数g'(x)={\rm e} ^x-1,于是g(x)在x=0处取得最小值0,因此\forall x>-1,g(x)\geqslant 0,原命题得证.
(2)解 分析端点,当x=0时,左边和右边均为0;而当x\to+ \infty 时,1-{\rm e}^{-x}\to 1,而当a=0时,\dfrac{x}{ax+1}\to +\infty ,当a\neq 0时,\dfrac{x}{ax+1}\to \dfrac 1a,因此得到必要条件0\leqslant a\leqslant 1.
否则,若a<0,则取x=-\dfrac 1a+1,则\dfrac{x}{ax+1}<0<1-{\rm e}^{-x},矛盾.
若a>1,则取x=\ln\dfrac{a}{a-1},则\dfrac{x}{ax+1}<\dfrac 1a=1-{\rm e}^{-x},矛盾.
于是原命题等价于\forall x\geqslant 0,\dfrac{{\rm e}^x-1}{{\rm e}^x}\cdot (ax+1)\leqslant x,即\forall x\geqslant 0,{\rm e}^x\left[(1-a)x-1\right]+ax+1\geqslant 0,记左侧函数为h(x),注意到h(0)=0,而其导函数h'(x)={\rm e}^x\left[(1-a)x-a\right]+a,又h'(0)=0,而其导函数h'^\prime (x)={\rm e}^x\left[(1-a)x+1-2a\right],于是h'^\prime(0)=1-2a \geqslant 0,从而0\leqslant a\leqslant \dfrac 12.
若不然,a>\dfrac 12时,考虑区间\left[0,\dfrac{2a-1}{1-a}\right],在该区间上,h'^\prime (x)\leqslant 0,于是h'(x)单调递减,又h'(0)=0,于是h'(x)<0,从而h(x)单调递减,又h(0)=0,于是h(x)\leqslant 0,矛盾.
下面证明0\leqslant a\leqslant \dfrac 12的充分性.
当0\leqslant a \leqslant \dfrac 12时,h'^\prime (x)={\rm e}^x\cdot (1-a)\cdot\left(x+\dfrac{1-2a}{1-a}\right)对任意x \geqslant 0均不小于0.于是在区间[0,+\infty )上,h'(x)单调递增,又h'(0)=0,于是h'(x)\geqslant 0,进而h(x)单调递增,于是h(x)\geqslant 0,命题成立.
综上,a的取值范围是\left[0,\dfrac 12\right].
注 第一问的结论实际上提示了第二问中a \leqslant 1.