每日一题[3017]端点分析

已知函数 $f(x)=\dfrac a2\ln (x+1)-\sqrt{x+2}$,其中 $a\in\mathbb R$.

1、当 $a=\dfrac 83$ 时,求函数 $f(x)$ 的单调区间.

2、当 $x\geqslant 0$ 时,$f(x)\leqslant \dfrac 3a(\sin x+\cos x)$ 恒成立,求实数 $a$ 的取值范围.

解析

1、当 $a=\dfrac 83$ 时,有\[f(x)=\dfrac 43\ln (x+1)-\sqrt{x+2},\]其导函数\[f'(x)=\dfrac{8\sqrt{2+x}-3(1+x)}{6(1+x)\sqrt{2+x}}=\dfrac{(7-x)(17+9x)}{6(1+x)\sqrt{2+x}\left(8\sqrt{2+x}+3(1+x)\right)},\]因此函数 $f(x)$ 的单调递增区间是 $(-1,7)$,单调递减区间是 $(7,+\infty)$.

2、设 $g(x)=\dfrac a2\ln (x+1)-\sqrt{x+2}-\dfrac 3a(\sin x+\cos x)$,则\[g(0)=-\sqrt 2-\dfrac 3a\leqslant 0\implies a\leqslant -\dfrac{3}{\sqrt 2}~\text{或}~a>0.\]若 $a>0$,则\[g(\pi)=\dfrac a2\sqrt{\pi+1}-\sqrt{\pi+2}+\dfrac 3a\geqslant \sqrt{6\sqrt{\pi+1}}-\sqrt{\pi+2}>0,\]不符合题意,因此 $a\leqslant- \dfrac{3}{\sqrt 2}$. 当 $a\leqslant- \dfrac{3}{\sqrt 2}$ 时,当 $\sin x+\cos x\geqslant 0$ 时,有\[g(x)\leqslant -\dfrac{3}{2\sqrt 2}\ln (x+1)-\sqrt{x+2}+\sqrt 2(\sin x+\cos x),\] 右侧函数 $h(x)$ 的导函数\[h'(x)=-\dfrac{3}{2\sqrt 2(x+1)}-\dfrac{1}{2\sqrt{x+2}}+\sqrt 2\left(\cos x-\sin x\right),\]有 $h'(0)=0$,且\[h''(x)=\dfrac{3\sqrt 2}{4(1+x)^2}+\dfrac{1}{4(2+x)^{\frac 32}}-\sqrt 2(\cos x+\sin x)<\dfrac{13\sqrt 2}{16}-\sqrt 2(\cos x+\sin x),\]因此当 $x\in\left[0,\dfrac{\pi}2\right]$ 时,有 $h''(x)<0$,进而在该区间上 $h(x)\leqslant 0$,符合题意. 当 $x\in\left(\dfrac{\pi}2,+\infty\right)$ 时,有\[g(x)\leqslant \dfrac a2\ln(x+1)-\sqrt {x+2}+\dfrac{3\sqrt 2}{-a}<\dfrac{a}4-\sqrt{3}+\dfrac{3\sqrt 2}{-a}\leqslant 2-\sqrt 3-\dfrac{3\sqrt 2}8<0,\]符合题意.

综上所述,实数 $a$ 的取值范围是 $\left(-\infty,-\dfrac{3\sqrt 2}2\right]$.

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