每日一题[2151]端点分析

已知函数 $f(x)={\rm e}^x-{\rm e}x$,$h(x)=af(x)+2f(-x)+(2a-4){\rm e}x$($a\in\mathbb R$ 且 $a\ne0$).

1、讨论函数 $y=f(ax)$ 的单调性.

2、当 $x\geqslant0$ 时,$h(x)\geqslant(a+2)\cos x+({\rm e}-1)(a-2)x$ 恒成立,求实数 $a$ 的取值范围.

解析

1、函数 $f(x)$ 的导函数\[f'(x)={\rm e}^x-{\rm e},\]于是 $f(x)$ 在 $(-\infty,1)$ 上单调递减,在 $(1,+\infty)$ 上单调递增.因此函数 $f(ax)$ 在 $\left(-\infty,\dfrac 1a\right)$ 上单调递减,在 $\left(\dfrac 1a,+\infty\right)$ 上单调递增.

2、设\[g(x)=h(x)-(a+2)\cos x-({\rm e}-1)(a-2)x,\]则\[g(x)=a{\rm e}^{x}+2{\rm e}^{-x}+(a-2)x-(a+2)\cos x,\]且 $g(x)$ 的导函数\[g'(x)=a{\rm e}^x-2{\rm e}^{-x}+(a-2)+(a+2)\sin x,\]考虑到 $g(0)=0$,$g'(0)=2a-4$,于是讨论分界点为 $a=2$.

情形一    $a<2$.若 $a\leqslant 0$,则\[g(x)\leqslant 2{\rm e}^{-x}+(a-2)x-a+2,\]进而\[g(2)=\dfrac{2}{{\rm e}^2}-2+a<0,\]不符合题意. 若 $0<a<2$,则在区间 $x\in (0,1)$ 上,有\[g'(x)<a(({\rm e}-1)x+1)-(2x+2)+(a-2)+(a+2)x=a({\rm e}x+2)-4,\]因此当 $0<x<\dfrac{4}{a{\rm e}}-\dfrac{2}{\rm e}$ 时,有 $g'(x)<0$,从而在此区间上 $g(x)$ 单调递减,结合 $g(0)=0$,不符合题意.

情形二      $a\geqslant 2$.此时当 $x\geqslant \pi$ 时,有\[g'(x)\geqslant a{\rm e}^{\pi}-2+(a-2)-(a+2)>2{\rm e}^{\pi}-6>0,\]当 $0\leqslant x<\pi$ 时,有\[g'(x)\geqslant a(x+1)-2+(a-2)\geqslant 0,\]因此 $g(x)$ 在 $[0,+\infty)$ 上单调递增,结合 $g(0)=0$,符合题意.

综上所述,实数 $a$ 的取值范围是 $[2,+\infty)$.

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