每日一题[1090]处理指数的和差化积

已知函数 $f(x)=-\dfrac a2x^2+(a-1)x+\ln x$

1)若 $a=-\dfrac 12$,求函数 $f(x)$ 的单调区间;

2)若 $a>1$,求证:$(2a-1)f(x)<3{\rm e}^{a-3}$


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 分析与解 1)函数 $f(x)$ 的导函数\[f'(x)=\dfrac{(-ax-1)(x-1)}{x},\] $a=-\dfrac 12$ 时,有\[f'(x)=\dfrac{(x-1)(x-2)}{2x}.\]于是\[\begin{array} {c|ccccc}\hline x&(0,1)&1&(1,2)&2&(2,+\infty)\\ \hline f'(x)&+&0&-&0&+\\ \hline f(x)&\nearrow&{\rm lmax} &\searrow &{\rm lmin}&\nearrow \\ \hline \end{array}\]因此函数 $f(x)$ 的单调递增区间是 $(0,1)$ $(2,+\infty)$,单调递减区间是 $(1,2)$

2 $a>1$ 时,有\[\begin{array} {c|ccc}\hline x&(0,1)&1&(1,+\infty)\\\hline f'(x)&+&0&-\\ \hline f(x)&\nearrow&{\rm lmax} &\searrow \\ \hline \end{array}\]于是 $f(x)$ 有极大值,亦为最大值\[f(1)=\dfrac 12a-1,\]欲证命题即\[\forall a>1,(2a-1)\left(\dfrac 12a-1\right)<3{\rm e}^{a-3},\]也即\[\forall a>1,{\rm e}^{-a}\cdot \left(2a^2-5a+2\right)<6{\rm e}^{-3}.\]设不等式左侧函数为 $\varphi(a)$,则其导函数\[\varphi'(a)={\rm e}^{-a}\cdot (7-2a)(a-1),\]于是函数 $\varphi(a)$ $\left(1,\dfrac 72\right)$ 上单调递增,在 $\left(\dfrac 72,+\infty\right)$ 上单调递减,在 $a=\dfrac 72$ 处取得极大值,亦为最大值\[\varphi\left(\dfrac 72\right)=9{\rm e}^{-\frac 72}<6{\rm e}^{-3},\]其中用到了 ${\rm e}>\dfrac 94$.因此原命题得证.

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