每日一题[3056]进阶放缩

已知函数 $f(x)=\ln (x+1)-\dfrac{ax}{x+2}$.

1、若 $x\geqslant 0$ 时,$f(x)\geqslant 0$,求实数 $a$ 的取值范围.

2、试讨论 $f(x)$ 的零点个数.

解析   

1、函数 $f(x)$ 的导函数\[f'(x)=\dfrac{(4-2a)+(4-2a)x+x^2}{(1+x)(2+x)^2}=\dfrac{(4-2a)(1+x)+x^2}{(1+x)(2+x)^2},\]因此讨论分界点为 $a=2$.

情形一    $a\leqslant 2$.此时在 $(-1,+\infty)$ 上有 $f'(x)>0$,$f(x)$ 单调递增,结合 $f(0)=0$,可得当 $x\geqslant 0$ 时,有\[f(x)\geqslant f(0)=0,\]符合题意.

情形二     $a>2$.此时在 $x\in\left(0,\sqrt{2a-4}\right)$ 上有\[(4-2a)(1+x)+x^2<(4-2a)+x^2<0,\]因此 $f(x)$ 在该区间上单调递减,而 $f(0)=0$,因此在该区间上有 $f(x)<0$,不符合题意.

综上所述,实数 $a$ 的取值范围是 $(-\infty,2]$.

2、根据第 $(1)$ 小题的结论,当 $a\leqslant 2$ 时,$f(x)$ 在 $(-1,+\infty)$ 上单调递增,零点个数为 $1$; 当 $a>2$ 时,$f(x)$ 有两个极值点 $x_1,x_2$,为方程\[(4-2a)+(4-2a)x+x^2=0\]的两个实数解,设 $-1<x_1<0<x_2$,则函数 $f(x)$ 在 $(-1,x_1)$ 上单调递增,在 $(x_1,x_2)$ 上单调递减,在 $(x_2,+\infty)$ 上单调递增.由于 $f(0)=0$,可得 $f(x_1)>0>f(x_2)$,又\[\ln(x+1)-a<\ln(x+1)-\dfrac{ax}{x+2}<\ln (x+1)+a,\]因此 $f\left({\rm e}^a-1\right)>0$,$f\left({\rm e}^{-a}-1\right)<0$,从而函数 $f(x)$ 有 $3$ 个零点. 综上所述,$f(x)$ 的零点个数为 $\begin{cases} 1,&a\leqslant 2,\\ 3,&a>2.\end{cases}$.

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