每日一题[2989]辅助函数

已知函数 $f(x)={\rm e}^x-ax$ 有两个零点 $x_1,x_2$,求证:$\left|\ln\dfrac{x_1}{x_2}\right|<\sqrt{a^2-2a-1}\cdot x_1\cdot x_2$.

解析    方程 ${\rm e}^x=ax$ 即 $x=\ln x+\ln a$,不妨设 $x_1<x_2$,因此欲证不等式即\[\dfrac{1}{x_1}-\dfrac{1}{x_2}<\sqrt{a^2-2a-1},\]事实上,有\[\dfrac{{\rm e}^x}{x}>\dfrac{1+x+\dfrac 12x^2}{x}=\dfrac 12x+1+\dfrac{1}{x},\]设 $g(x)=\dfrac 12x+1+\dfrac 1x$,$g(x)=a$ 的实数解为 $x_3,x_4$($x_3<x_4$),则\[x_3<x_1<x_2<x_4,\]从而\[\dfrac1{x_1}-\dfrac{1}{x_2}<\dfrac1{x_3}-\dfrac1{x_4}=\dfrac{x_4-x_3}{x_3x_4},\]而 $x=x_3,x_4$ 是方程\[x^2+2(1-a)x+2=0\]的两个实数解,从而\[\dfrac{x_4-x_3}{x_3x_4}=\sqrt{(a-1)^2-2}=\sqrt{a^2-2a-2},\]命题得证.

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