每日一题[535]缩小包围圈

已知函数$f(x)={\rm e}^x(x^2+ax+a)$.

(1)当$a=1$时,求函数$f(x)$的单调区间;

(2)若关于$x$的不等式$f(x)\leqslant {\rm e}^{a}$在$[a,+\infty)$上有解,求实数$a$的取值范围;

(3)若曲线$y=f(x)$存在两条互相垂直的切线,求实数$a$的取值范围(只需直接写出结果).


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分析与解    函数$f(x)$的导函数$$f'(x)={\rm e}^x(x+a)(x+2).$$

(1)当$a=1$时,函数$f(x)$的导函数$$f'(x)={\rm e}^x(x+1)(x+2),$$于是函数$f(x)$的单调递增区间为$(-\infty,-2)$和$(-1,+\infty)$;单调递减区间为$(-2,-1)$.

(2)先考虑$f(a)={\rm e}^a(2a^2+a)$,显然当$-1\leqslant a\leqslant \dfrac 12$时,$f(a)\leqslant {\rm e}^a$,接下来研究其他情形.

当$a<-1$时,函数$f(x)$在$(-\infty,-2)$和$(-a,+\infty)$上单调递增;在$(-2,-a)$上单调递减,因此函数$f(x)$在$[a,+\infty)$上的最小值必然为$\min\{f(a),f(-a)\}$.考虑到$f(a)>{\rm e}^a$,又$$f(-a)={\rm e}^{-a}\cdot a<0<{\rm e}^{a},$$因此符合题意.

当$a>\dfrac 12$时,无论$-a$与$-2$的大小关系如何,均有函数$f(x)$在$[a,+\infty)$上单调递增.又$f(a)>{\rm e}^a$,因此不符合题意.

综上所述,实数$a$的取值范围是$\left(-\infty,\dfrac 12\right]$.

(3)由于$f'(x)$的取值无上界,因此只需要存在负的函数值即可,因此$a$的取值范围是$(-\infty,2)\cup (2,+\infty)$.

   (2)还可以利用$$x^2+ax+a\leqslant {\rm e}^{a-x}\leqslant 1,$$得到必要条件$a\leqslant \dfrac 12$,再论证充分性.

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