每日一题[2382]分而治之

设 $a, b$ 为实数,且 $a>1$,函数 $f(x)=a^{x}-b x+\mathrm{e}^{2}(x \in \mathbb{R})$.

1、求函数 $f(x)$ 的单调区间.

2、若对任意 $b>2 \mathrm{e}^{2}$,函数 $f(x)$ 有两个不同的零点,求 $a$ 的取值范围.

3、当 $a=\mathrm{e}$ 时,证明:对任意 $b>\mathrm{e}^{4}$,函数 $f(x)$ 有两个不同的零点 $x_{1}, x_{2}$($x_1<x_2$),满足\[x_{2}>\frac{b \ln b}{2 \mathrm{e}^{2}} x_{1}+\frac{\mathrm{e}^{2}}{b}.\] 注:$\mathrm{e}=2.71828 \ldots$ 是自然对数的底数.

解析

1、函数 $f(x)$ 的导函数\[f'(x)=a^x\ln a-b,\]若 $b\leqslant 0$,则 $f(x)$ 的单调递增区间是 $\mathbb R$,没有单调递减区间;若 $b>0$,则 $f(x)$ 的单调递增区间是 $\left({\log_a}\dfrac b{\ln a},+\infty\right)$,单调递减区间是 $\left(-\infty,{\log_a}\dfrac {b}{\ln a}\right)$.

2、注意到\[\lim_{x\to -\infty}f(x)=\lim_{x\to +\infty}f(x)=+\infty,\]当 $b>2{\rm e}^2$ 时,函数 $f(x)$ 的最小值\[f\left({\log_a}\dfrac b{\ln a}\right)=\dfrac b{\ln a}-\dfrac b{\ln a}\ln\dfrac b{\ln a}+{\rm e}^2,\]记 $t=\dfrac b{\ln a}$,根据题意,有\[f\left({\log_a}\dfrac b{\ln a}\right)<0\iff t-t\ln t+{\rm e}^2<0\iff 1-\ln t+\dfrac{{\rm e}^2}{t}<0,\]左侧为关于 $t$ 的单调递减函数,且当 $t={\rm e}^2$ 时函数值为 $0$,因此该关于 $t$ 的不等式的解为\[t>{\rm e}^2\implies \dfrac b{\ln a}>{\rm e}^2,\]该不等式对任意 $b>2{\rm e}^2$ 均成立,因此 $a$ 的取值范围是 $\left(1,{\rm e}^2\right]$.

3、当 $a={\rm e}$ 时,方程\[f(x)=0\iff \dfrac{{\rm e}^x+{\rm e}^2}{x}=b,\]从而 $x_1,x_2>0$,设左侧函数为 $g(x)$,则 $g(x)$ 的导函数\[g'(x)=\dfrac{{\rm e}^x(x-1)-{\rm e}^2}{x^2},\]因此 $g(x)$ 在 $(0,2)$ 上单调递减,在 $(2,+\infty)$ 上单调递增,因此\[0<x_1<2<x_2.\]由于\[b=\dfrac{{\rm e}^{x_1}+{\rm e}^2}{x_1}<\dfrac{2{\rm e}^2}{x_1}\implies x_1<\dfrac{2{\rm e}^2}{b},\]因此只需要证明\[x_2>\ln b+\dfrac{{\rm e}^2}{b},\]考虑到\[b=\dfrac{{\rm e}^{x_2}+{\rm e}^2}{x_2}<\dfrac{2{\rm e}^{x_2}}{x_2},\]且 $\ln b+\dfrac{{\rm e}^2}b$ 在 $b\in\left({\rm e}^4,+\infty\right)$ 上单调递增,因此只需要证明\[x_2>\ln\dfrac{2{\rm e}^{x_2}}{x_2}+\dfrac{{\rm e}^2}{\dfrac{2{\rm e}^{x_2}}{x_2}}\iff \ln x_2-\dfrac{{\rm e}^2x_2}{2{\rm e}^{x_2}}-\ln 2>0,\]设 $h(x)=\ln x-\dfrac{{\rm e}^2x}{2{\rm e}^x}-\ln 2$,则其导函数\[h'(x)=\dfrac 1x+\dfrac{x-1}{2{\rm e}^{x-2}},\]因此 $h(x)$ 在 $(1,+\infty)$ 上单调递增.当 $ b>{\rm e}^4 $ 时,由于 $ g(4)=\dfrac{{\rm e}^4+{\rm e}^2}4<b $,于是 $ x_2>4$,进而\[\ln x_2-\dfrac{{\rm e}^2x_2}{2{\rm e}^{x_2}}-\ln 2>h(4)=\ln 2-\dfrac{2}{{\rm e}^2}>\dfrac 23-\dfrac 27>0,\]其中用到了 $\ln x>\dfrac{2(x-1)}{x+1}$($x>1$),令 $x=2$,可得 $\ln 2>\dfrac 23$;以及 ${\rm e}^2>7$.

备注    事实上,有$x_2>5$,所以题中的不等式还是比较宽松的.

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每日一题[2382]分而治之》有1条回应

  1. guoRandall说:

    第三问的不等号传递是不是错了?

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