每日一题[2526]双层嵌套

已知 $f(x)=\dfrac{\mathrm{e}^{x-1}}{x}-a x+a \ln x$,其中 $a \in \mathbb{R}$.

1、当 $a=\dfrac{1}{\mathrm{e}}$ 时,求 $f(x)$ 的单调区间.

2、当 $x>0$ 时,$f(x) \geqslant 0$,求 $a$ 的取值范围.

解析

1、当 $a=\dfrac{1}{\rm e}$ 时,函数 $f(x)$ 的导函数\[f'(x)=\dfrac{\left({\rm e}^x-x\right)(x-1)}{{\rm e}x^2},\]我们熟知 ${\rm e}^x\geqslant x+1$,因此 $f(x)$ 的单调递增区间是 $(1,+\infty)$,单调递减区间是 $(0,1)$.

2、我们熟知 $x-\ln x\geqslant 1$,因此根据题意,有\[\forall x>0,f(x)\geqslant 0\iff \forall x>0,a\leqslant \dfrac{{\rm e}^{x-1}}{x(x-\ln x)},\]也即\[\forall x>0,a\leqslant \dfrac{\frac{{\rm e}^x}{x}}{\ln \frac {{\rm e}^x}{x}}\cdot \dfrac{1}{\rm e},\]设 $g(x)=\dfrac{x}{\ln x}$,题意即\[\forall x>0,a\leqslant \dfrac{1}{\rm e}\cdot g\left(g\left({\rm e}^x\right)\right),\]利用导函数研究函数 $g(x)$ 可得当 $x>1$ 时,$g(x)$ 在 $x={\rm e}$ 处取得最小值 ${\rm e}$,因此 $g\left(g\left({\rm e}^x\right)\right)$ 的最小值为 ${\rm e}$,当 $x=1$ 时取得,进而可得实数 $a$ 的取值范围是 $\left(-\infty,1\right]$.

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