每日一题[2275]隐零点

已知函数 $f(x)=a{\rm e}^x-\sin x$,$a$ 为实数.

1、若函数 $f(x)$ 在 $\left(0,\dfrac{\pi}2\right)$ 上存在极值,求 $a$ 的取值范围.

2、若不等式 $f(x)+\sin x-1\leqslant x{\rm e}^x\left(x+\ln x-1\right)$ 恒成立,求 $a$ 的取值范围.

解析

1、函数 $f(x)$ 的导函数\[f'(x)=a{\rm e}^x-\cos x={\rm e}^x\left(a-{\rm e}^{-x}\cos x\right),\]考虑到函数 $y={\rm e}^{-x}\cos x$ 在 $\left(0,\dfrac{\pi}2\right)$ 上单调递减,取值范围是 $(0,1)$,因此实数 $a$ 的取值范围是 $(0,1)$.

2、根据题意,有\[\forall x>0,a\leqslant x^2+x\ln x-x+{\rm e}^{-x},\]记右侧函数为 $g(x)$,则其导函数\[g'(x)=2x+\ln x-{\rm e}^{-x},\]该函数单调递增,且 $g'\left({\rm e}^{-1}\right)<0<g'(1)$,因此 $g(x)$ 有唯一极小值点,亦为最小值点,设为 $x=m$,对应 $a$ 的取值范围是 $\left(-\infty,g(m)\right]$,其中\[2m+\ln m-{\rm e}^{-m}=0.\]注意到上述方程即\[m+\ln m={\rm e}^{-m}+\ln {\rm e}^{-m},\]且函数 $y=x+\ln x$ 单调递增,因此\[m={\rm e}^{-m}\iff \ln m=-m,\]因此\[g(m)=m^2+m\ln m-m+{\rm e}^{-m}=m^2+m\cdot (-m)-m+m=0,\]从而 $a$ 的取值范围是 $(-\infty ,0]$.

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