已知函数 $f(x)=a \ln x-x$.
1、讨论函数 $f(x)$ 的单调性.
2、设 $0<a<1$,若函数 $g(x)=4 f(x)+\dfrac{x^2}{2 a}-x$ 在 $x \in[1,+\infty)$ 上有零点,求 $a$ 的取值范围.
解析
1、函数 $f(x)$ 的导函数\[f'(x)\dfrac{a-x}{x},\]于是当 $a\leqslant 0$ 时,函数 $f(x)$ 在 $(0,+\infty)$ 上单调递减;当 $a>0$ 时,函数 $f(x)$ 在 $(0,a)$ 上单调递增,在 $(a,+\infty)$ 上单调递减.
2、函数 $g(x)=4a\ln x-5x+\dfrac{x^2}{2a}$,于是函数 $g(x)$ 的导函数\[g'(x)=\dfrac{(x-a)(x-4a)}{ax},\]讨论分界点为 $a=\dfrac 14$.
情形一 $0<a\leqslant \dfrac 14$.此时函数 $ g(x)$ 在 $ [1,+\infty)$ 上单调递增,而当 $ x\to+\infty $ 时,有 $ g(x)\to +\infty $,因此题意即\[g(1)\leqslant 0\iff \dfrac{1}{2a}-5\leqslant 0\iff \dfrac1{10}\leqslant a\leqslant \dfrac14.\]
情形二 $ \dfrac14<a<1 $,此时函数 $ g(x)$ 在 $ [1,4a)$ 上单调递减,在 $(4a,+\infty)$ 上单调递增,在 $ x=4a $ 处取得极小值,也为最小值,因此题意即\[g(4a)\leqslant 0\iff 4a(\ln(4a)-3)\leqslant 0\iff \dfrac14<a<1.\]
综上所述,实数 $ a $ 的取值范围是 $ \left[\dfrac1{10},1\right)$.