每日一题[1839]变量转化

已知函数 $f(x)={\rm e}^x-ax$.

1、当 $a>0$ 时,设函数 $f(x)$ 的最小值为 $g(a)$,求证:$g(a)\leqslant 1$.

2、若函数 $h(x)=f(x)-\dfrac 12x^2$ 有两个极值点 $x_1,x_2$($x_1<x_2$),证明:$h(x_1)+h(x_2)>2$.

解析

1、函数 $f(x)$ 的导函数\[f'(x)={\rm e}^x-a,\]于是其最小值为 $f(\ln a)=a-a\ln a$,而\[a-a\ln a\leqslant 1\iff \ln a\geqslant 1-\dfrac 1a,\]这显然成立,命题得证.

2、根据题意,有 $a>1$,$x_1<0<x_2$,且\[{\rm e}^{x_1}-a-x_1={\rm e}^{x_2}-a-x_2=0,\]问题的关键是把欲证不等式左边变成单变量函数.构造函数 $\mu(x)=h'(x)-h'(-x)$,则 $\mu(0)=0$,且其导函数\[\mu'(x)=h''(x)+h''(-x)={\rm e}^x+{\rm e}^{-x}-2\geqslant 0,\]于是 $\mu(x)$ 单调递增,从而当 $x>0$ 时,$\mu(x)>0$;当 $x<0$ 时,$\mu(x)<0$,因此\[\mu(x_1)<0\implies h'(x_1)=h'(x_2)>h'(-x_2)\implies x_1<-x_2,\]由于 $h(x)$ 在 $(x_1,x_2)$ 上单调递减,于是\[h(x_1)+h(x_2)>h(x_2)+h(-x_2)={\rm e}^{x_2}+\dfrac{1}{{\rm e}^{x_2}}-x_2^2,\]记 $r(x)={\rm e}^x+\dfrac{1}{{\rm e}^x}-x^2$,则其导函数\[r'(x)={\rm e}^x-\dfrac{1}{{\rm e}^x}-2x,\]其二阶导函数\[r''(x)={\rm e}^x+\dfrac{1}{{\rm e}^x}-2\geqslant 0,\]于是 $r'(x)$ 有唯一零点 $x=0$,进而 $r(x)$ 的极小值,也为最小值是 $r(0)=2$,命题得证.

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