已知函数$f(x)={\rm e}^{ax}-x$.
(1) 若曲线$y=f(x)$在$(0,f(0))$处的切线$l$与直线$x+2y+3=0$垂直,求$a$的值;
(2) 当$a\ne 1$时,求证:存在实数$x_0$使$f(x_0)<1$.
分析与解 (1) 函数$f(x)$的导函数\[f'(x)=a{\rm e}^{ax}-1,\]于是\[f'(0)=a-1=2,\]因此$a=3$.
(2) 情形一 $a\leqslant 0$.此时取$x_0=1$,则有\[f(x_0)={\rm e}^a-1<0<1,\]命题成立;
情形二 $a>0$且$a\ne 1$.此时命题等价于对于实数$a>0$且$a\ne 1$,有\[\exists x\in \mathbb R,{\rm e}^x<\dfrac 1ax+1.\]考虑函数$g(x)=\left(\dfrac 1ax+1\right){\rm e}^{-x}$,则其导函数\[g'(x)=\dfrac 1a\left(1-a-x\right){\rm e}^{-x},\]因此函数$g(x)$的极大值,亦为最大值为\[g\left(1-a\right)=\dfrac 1a{\rm e}^{a-1}=\dfrac{{\rm e}^a}{{\rm e}a}>1,\]因此命题成立.
综上所述,原命题得证.
情形二另法 当$a>0$时,$f'(x)=a{\rm e}^{ax}-1$单调递增,且$f'(0)=a-1$.
若$a\in(0,1)$,记$f'(x)$的唯一零点为$m$,因为$f'(0)<0=f'(m)\Rightarrow m>0$,在区间$(0,m)$上$f'(x)<0$,所以$f(x)$单调递减,而$f(0)=1$,所以$f(x)<1$;
若$a\in(1,+\infty)$,则$f'(0)>0=f'(m)$,所以$m<0$,从而有区间$(m,0)$上有$f'(x)>0$,$f(x)$单调递增,所以$f(x)<f(0)=1$.
综上知$a\ne 1$时,均存在实数$x_0$,使得$f(x_0)<1$.