每日一题[2616]分离变量

设函数 $f(x)=\ln x-\dfrac{1}{2} a x^2-b x$,其中 $a, b \in \mathbb R$.

1、若 $b=1-a$,且 $x=1$ 是 $f(x)$ 的极大值点,求 $a$ 的取值范围.

2、当 $a=0$,$ b=-1$ 时,方程 $2 m f(x)=x^2$ 有唯一实数解,求正数 $m$ 的值.

解析

1、若 $b=1-a$,则 $f(x)=\ln x-\dfrac 12x^2+(a-1)x$,其导函数\[f'(x)=\dfrac1x-ax+(a-1)=\dfrac{-(ax+1)(x-1)}{x},\]其二阶导函数\[f''(x)=-a-\dfrac1{x^2},\]从而若 $x=1$ 是 $f(x)$ 的极大值点,则\[\begin{cases} f'(1)=0,\\ f''(1)<0,\end{cases}\iff -a-1<0,\]从而实数 $a$ 的取值范围是 $(-1,+\infty)$.

2、当 $a=0$,$b=-1$ 时,题中方程即\[2m(\ln x+x)=x^2\iff 2m=\dfrac{x^2}{\ln x+x},\]记方程右侧函数为 $g(x)$,则其导函数\[g'(x)=\dfrac{x(-1+x+2\ln x)}{(x+\ln x)^2},\]设 $r(x)=-1+x+2\ln x$,则 $r(x)$ 在 $(0,+\infty)$ 上单调递增且有零点 $x=1$.又 $y=x+\ln x$ 在 $(0,+\infty)$ 上单调递增且有唯一零点,设为 $m$,则 $m\in(0,1)$,从而\[\begin{array}{c|c|c|c|c|c|c|c|c}\hline x&0^+&(0,m)&m^-&m^+&(m,1)&1&(1,+\infty)&+\infty\\ \hline g(x)&0&\searrow&-\infty&+\infty&\searrow&1&\nearrow&+\infty \\ \hline\end{array}\]因此若题中方程有唯一实数解,则 $2m=1$,从而正数 $m$ 的值为 $\dfrac 12$.

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