每日一题[2604]含参讨论

已知函数 $f(x)=a x+\dfrac{x-1}{x^2}-2 a \ln x$($x>0$,$a \in\mathbb R$).

1、讨论 $f(x)$ 的单调性.

2、若 $f(x)$ 有两个零点,求实数 $a$ 的取值范围.

解析

1、函数 $f(x)$ 的导函数\[f'(x)=\dfrac{(x-2)\left(ax^2-1\right)}{x^3},\]于是讨论分界点为 $a=0,\dfrac14$.

情形一     $a\leqslant 0$.此时函数 $f(x)$ 在 $(0,2)$ 上单调递增,在 $(2,+\infty)$ 上单调递减.

情形二     $0<a<\dfrac14$.此时函数 $f(x)$ 在 $\left(0,2\right)$ 上单调递增,在 $\left(2,\dfrac{1}{\sqrt a}\right)$ 上单调递减,在 $\left(\dfrac{1}{\sqrt a},+\infty\right)$ 上单调递增.

情形三     $a=\dfrac14$.此时函数 $f(x)$ 在 $(0,+\infty)$ 上单调递增.

情形四     $a>\dfrac14$.此时函数 $f(x)$ $\left(0,\dfrac{1}{\sqrt a}\right)$ 上单调递增,在 $\left(\dfrac 1{\sqrt a},2\right)$ 上单调递减,在 $(2,+\infty)$ 上单调递增.

2、注意到\[2\ln x-x=2\ln \dfrac x2-x+2\ln 2\leqslant 2\left(\dfrac x2-1\right)-x+2\ln 2=2(\ln 2-1)<0,\]因此方程 $f(x)=0$ 即\[a=\dfrac{x-1}{x^2(2\ln x-x)},\]设右侧函数为 $g(x)$,则其导函数\[g'(x)=\dfrac{(x-2)(-1+2x-2\ln x)}{x^3(2\ln x-x)^2},\]因此有\[\begin{array}{c|c|c|c|c|c}\hline x&0^+&(0,2)&2&(2,+\infty)&+\infty \\ \hline g(x)&+\infty&\searrow&\dfrac{1}{8(\ln 2-1)}&\nearrow&0\\ \hline\end{array}\] 所以若 $f(x)$ 有两个零点,则实数 $a$ 的取值范围是 $\left(\dfrac{1}{8(\ln 2-1)},0\right)$.

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