每日一题[2606]复合函数

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

1、若 $\varphi(x)=f^{\prime}(x)$,求函数 $\varphi(x)$ 的单调区间,并证明:$\varphi(x) \geqslant-2 a-{\rm e}^{-2}$.

2、若函数 $h(x)=f(x)-g(x)$ 恰有一个零点,求 $a$ 的取值范围.

解析

1、根据题意,有\[\varphi(x)=f'(x)=(x+1){\rm e}^x-2a,\]于是其导函数\[\varphi'(x)=(x+2){\rm e}^x,\]于是函数 $\varphi(x)$ 的单调递增区间是 $(-2,+\infty)$,单调递减区间是 $(-\infty,-2)$,在 $x=-2$ 处取得极小值,也为最小值\[\varphi(-2)=-2a-{\rm e}^{-2},\]因此 $\varphi(x) \geqslant-2 a-{\rm e}^{-2}$.

2、方程 $h(x)=0$ 即\[x{\rm e}^x-2ax+a=a\ln x-ax+{\rm e},\]即\[(x+\ln x-1)a=x{\rm e}^x-{\rm e},\]也即\[\left(\ln \left(x{\rm e}^x\right)-1\right)a=x{\rm e}^x-{\rm e},\]因此问题即函数 $p(x)=(\ln x-1)a-x+{\rm e}$ 只有一个零点.注意到 $p({\rm e})=0$,函数 $p(x)$ 的导函数\[p'(x)=\dfrac{a-x}{x},\]因此当 $a\leqslant 0$ 时,函数 $p(x)$ 在 $(0,+\infty)$ 上单调递减,符合题意;当 $a>0$ 时,函数 $p(x)$ 在 $x=a$ 处取极大值,也为最大值,此时 $a={\rm e }$. 综上所述,实数 $a$ 的取值范围是 $(-\infty,0]\cup\{{\rm e}\}$.

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