每日一题[115] 分类讨论

已知函数\(f(x)=a{\mathrm e}^{x-1}-1\),\(x\in\mathcal R\).若方程\(f(x)+|x-a|=0\)有且仅有两个不相等的实根,则实数\(a\)的取值范围为________.


cover正确的答案是\(\{-1\}\cup [0,1)\).

分别考虑\[g(x)=a{\mathrm e}^{x-1}-1+x-a,x\geqslant a\]和函数\[h(x)=a{\mathrm e}^{x-1}-x+a,x<a\]的零点个数.

注意到\[g'(x)=a{\mathrm e}^{x-1}+1,h'(x)=a{\mathrm e}^{x-1}-1,\]且当\(a\leqslant 1\)时\(g(1)=0\).

情形1    \(a=0\).

此时如图,符合题意.

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情形2    \(a>0\).

此时\(g'(x)>0\),而\(h'(a)=a{\mathrm e}^{a-1}-1\)有零点为\(a=1\),因此需要进一步讨论.

情形2.1    \(0<a<1\).

此时\(h'(x)<0\),因此\(h(x)\)单调递减,\(g(x)\)单调递增,而\[g(a)=a{\mathrm e}^{a-1}-1<0,\]于是\(g(x)\)和\(h(x)\)各有一个零点,符合题意.

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情形2.2    \(a=1\).

此时与情形2.1类似,\(h(x)\)单调递减,\(g(x)\)单调递增,而\[g(a)=a{\mathrm e}^{a-1}-1=0,\]于是\(g(x)\)有一个零点为\(x=1\),\(h(x)\)没有零点,不符合题意.

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情形2.3    \(a>1\).

此时\(h(x)\)先递减再递增,且极小值点\(x_0\)满足\(a{\mathrm e}^{x_0-1}-1=0\),于是可得极小值为\[h(x_0)=a{\mathrm e}^{x_0-1}-1-x_0+a=a-x_0>0,\]因此\(g(x)\)与\(h(x)\)均没有零点,不符合题意.

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情形3    \(a<0\).

此时\(h'(x)<0\),而\[g(a)=a{\mathrm e}^{a-1}-1<0,\]因此函数\(h(x)\)有一个零点.另一方面,注意到\(g(a)<0\)且\(g(1)=0\),于是\(g(x)\)先递增后递减,因此只有当\(x=1\)为函数\(g(x)\)的极大值点时符合题意,此时将\(x=1\)代入\[a{\mathrm e}^{x-1}+1=0\]解得\[a=-1.\]

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综上所述,所求实数\(a\)的取值范围是\(\{-1\}\cup [0,1)\).


 

另法

当\(a>0\)时,将方程变形为\[{\mathrm e}^{x-1}=-\left|\dfrac 1ax-1\right|+\dfrac 1a,\]注意以下事实:

1、等式右边图象的“顶点”为\(\left(a,\dfrac 1a\right)\),在双曲线\(y=\dfrac 1x\)上;

2、等式右边图象恒过点\((-1,-1)\);

3、等式左边图象与双曲线\(y=\dfrac 1x\)的交点为\((1,1)\),并且该点与\((-1,-1)\)的连线与等式左边图象相切与\((1,1)\).

其他情形的讨论从略.

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