每日一题[2598]凸函数之争

已知函数 $f(x)=\ln x+a x^2$($a \in \mathbb{R}$).

1、讨论函数 $f(x)$ 的单调性.

2、设 $g(x)=f(x)-a x$,讨论函数 $g(x)$ 的零点个数.

解析

1、函数 $f(x)$ 的定义域为 $(0,+\infty)$,导函数\[f'(x)=\dfrac{1+2ax^2}{x},\]于是当 $a\geqslant 0$ 时,函数 $f(x)$ 在 $(0,+\infty)$ 上单调递减;当 $a<0$ 时,函数 $f(x)$ 在 $\left(0,\sqrt{\dfrac{1}{-2a}}\right)$ 上单调递增,在 $\left(\sqrt{\dfrac{1}{-2a}},+\infty\right)$ 上单调递减.

2、根据题意,函数 $g(x)=\ln x+ax(x-1)$,其导函数\[g'(x)=\dfrac{2ax^2-ax+1}{2}.\]

情形一     $a\geqslant 0$.此时当 $x>1$ 时,$g(x)>0$,当 $0<x<1$ 时,$g(x)<0$,因此函数 $g(x)$ 有唯一零点 $x=1$.

情形二     $a<0$.此时函数 $g(x)$ 在 $(0,m)$ 上单调递增,在 $(m,+\infty)$ 上单调递减,在 $x=m$ 处取得极大值,也为最大值,其中\[m=\dfrac{a-\sqrt{a(a-8)}}{4a}=\dfrac{1+\sqrt{1-\dfrac8 a}}4,\]因此当 $a=-1$ 时,$g(x)$ 的最大值为 $g(1)=0$,零点个数为 $1$;当 $a\ne -1$ 时,$g(x)$ 的最大值为 $g(m)>0$,而当 $x\to 0$ 和 $x\to +\infty$ 时,都有 $g(x)\to -\infty$,因此函数 $g(x)$ 的零点个数为 $2$.

综上所述,函数 $g(x)$ 的零点个数为 $\begin{cases} 1,&a\in \{-1\}\cup [0,+\infty),\\ 2,&a\in (-\infty,-1)\cup(-1,0).\end{cases}$

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