每日一题[2005]分离变量

已知函数 $f(x)={\rm e}^x+ax^2-x$.

1、当 $a=1$ 时,讨论 $f(x)$ 的单调性.

2、当 $x\geqslant 0$ 时,$f(x)\geqslant \dfrac 12x^3+1$,求 $a$ 的取值范围.

解析

1、当 $a=1$ 时,$f(x)={\rm e}^x+x^2-x$,其导函数\[f'(x)={\rm e}^x+2x-1,\]函数 $f'(x)$ 为单调递增函数,且 $f'(0)=0$,于是当 $x\in (-\infty,0)$ 时,函数 $f(x)$ 单调递减;当 $x\in (0,+\infty)$ 时,函数 $f(x)$ 单调递增.

2、根据题意,当 $x=0$ 时,不等式显然成立; 当 $x>0$ 时,有\[f(x)\geqslant \dfrac 12x^3+1\iff a\geqslant \dfrac{\dfrac 12x^3+x+1-{\rm e}^x}{x^2},\]记右侧函数为 $g(x)$,则其导函数\[g'(x)=\dfrac{(x-2)\left(\left(x^2+2x+2\right){\rm e}^{-x}-2\right){\rm e}^x}{2x^3},\]设 $r(x)=\left(x^2+2x+2\right){\rm e}^{-x}-2$,则其导函数\[r'(x)=-x^2{\rm e}^{-x},\]当 $x>0$ 时,函数 $r(x)$ 单调递减,而 $r(0)=0$,于是当$x>0$时,$r(x)<0$.因此函数 $g(x)$ 在 $(0,2)$ 上单调递增,在 $(2,+\infty)$ 上单调递减,在 $x=2$ 处取得极大值,也为最大值.因此实数 $a$ 的取值范围是 $\left[g(2),+\infty\right)$,即 $\left[\dfrac{7-{\rm e}^2}4,+\infty\right)$.

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