每日一题[118] 齐次化

本题为2013年广东省深圳市高三年级第二次调研考试理科数学第21题.

定义\(\rho (x,y)=\left|{\mathrm e}^x-y\right|-y\left|x-\ln y\right|\),其中\(x\in\mathcal R\),\(y\in\mathcal R^+\).

(1)若\(a>0\),\(f(x)=\rho (x,a)\),求\(f(x)\)在定义域内的零点的个数;

(2)设\(0<a<b\),函数\(F(x)=\rho (x,a)-\rho (x,b)\),求\(F(x)\)的最小值;

(3)设(2)中最小值为\(T(a,b)\),若各项都是正数的无穷数列\(\left\{a_n\right\}\)单调递增,证明:对一切正整数\(n\),均有\[\sum_{i=1}^{n}{T\left(a_i,a_{i+1}\right)}<\left(a_{n+1}-a_1\right)\ln 2.\]


cover(1)由于函数\(f(x)\)在\(x<\ln a\)时单调递增,在\(x>\ln a\)时单调递增,且当\(x=\ln a\)时,\(f(x)=0\),于是函数\(f(x)\)在定义域内的零点个数为\(1\);

(2)考虑到\[F'(x)=\begin{cases}a-b,&x<\ln a\\2{\mathrm e}^x-a-b,&\ln a\leqslant x\leqslant \ln b\\b-a,&x>\ln b\end{cases}\]于是函数\(F(x)\)的最小值为\[F\left(\ln\dfrac{a+b}{2}\right)=a\ln\dfrac{2a}{a+b}+b\ln\dfrac{2b}{a+b}.\]

(3)分析通项可知,欲证命题只需要证明\[\forall 0<a<b,T(a,b)<(b-a)\ln 2,\]即\[\forall 0<a<b,a\ln\dfrac{2a}{a+b}+b\ln\dfrac{2b}{a+b}<(b-a)\ln 2,\]令\(t=\dfrac{b}{a}\),\(t>1\),则只需要证明\[\forall t>1,\ln\dfrac{2}{1+t}+t\ln\dfrac{2t}{t+1}<(t-1)\ln 2,\]该不等式很容易通过求导证明.

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