每日一题[793]先探索 再证明

是否存在正整数$a$,使得${\rm e}^x-ax\geqslant x^2\ln x$对一切$x>0$恒成立?若存在,求出$a$的最大值;若不存在,请说明理由.


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分析与解 令$x=2$,可得\[{\rm e}^2-2a\geqslant 4\ln 2,\]于是$a\leqslant \dfrac 12{\rm e}^2-2\ln 2<3$.下面证明$a=2$时符合题意,只需要证
\[\forall x>0,{\rm e}^x-2x\geqslant x^2\ln x,\]也即\[\forall x>0,\dfrac{{\rm e}^x}{x^2}-\dfrac {2}{x}-\ln x>0.\]令$\varphi(x)=\dfrac{{\rm e}^x}{x^2}-\dfrac {2}{x}-\ln x$,则\[\varphi'(x)=\dfrac{(x-2)({\rm e}^x-x)}{x^3},\]于是$\varphi(x)$的极小值,亦为最小值为\[\varphi(2)=\dfrac 14{\rm e}^2-1-\ln 2>0,\]符合题意.

综上所述,正整数$a$的最大值为$2$.

 1.令$x=1$可得$a\leqslant {\rm e}<3$;

2.其中估算可以利用$\dfrac{19}{7}<{\rm e}<\dfrac{20}7$,$\dfrac 23<\ln 2<\dfrac 34$.

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