已知函数 $f\left(x\right) = a{x^2} + bx - \ln x$($a,b \in {\mathbb{R}}$).
1、设 $a \geqslant 0$,求 $f\left(x\right)$ 的单调区间.
2、设 $a > 0$,且对任意 $x > 0$,$f\left(x\right) \geqslant f\left(1\right)$,试比较 $\ln a$ 与 $ - 2b$ 的大小.
解析
1、本题考查利用导数研究函数的单调性,根据导数的零点分布情况展开讨论是解决问题的关键.
根据题意,函数 $f(x)$ 的导函数\[f'(x)=\dfrac{2ax^2+bx-1}{x}.\]
情形一 $a=0$ 且 $b\leqslant 0$.此时函数 $f(x)$ 的单调递减区间是 $(0,+\infty)$.
情形二 $a=0$ 且 $b>0$.此时函数 $f(x)$ 的单调递减区间是 $\left(0,\dfrac 1b\right)$,单调递增区间是 $\left(\dfrac 1b,+\infty\right)$.
情形三 $a>0$ 时.此时关于 $x$ 的方程 $2ax^2+bx-1=0$ 的正实数解为\[x_0=\dfrac{-b+\sqrt{b^2+8a}}{4a},\]则函数 $f(x)$ 的单调递减区间是 $(0,x_0)$,单调递增区间是 $(x_0,+\infty)$.
2、本题考查利用导数研究函数的最值,利用对数函数的基本放缩可以更快完成大小比较.
根据题意,函数 $f(x)$ 在 $x=1$ 处取得最小值.结合第 $(1)$ 小题的结果,有 $f'(1)=0$ 即 $b=1-2a$,从而\[\ln a-(-2b)=\ln a+2(1-2a)=\ln a-4a+2=\ln(4a)-4a+2-\ln 4\leqslant 1-\ln 4<0,\]其中用到了 $\ln x\leqslant x-1$,因此 $\ln a<-2b$.