每日一题[2668]二阶不动点

已知 $a>0$,函数 $f(x)=2\ln(ax)-x$,若函数 $F(x)=f(f(x))-x$ 恰有两个零点,则实数 $a$ 的取值范围是(       )

A.$\left(\dfrac1{\rm e},+\infty\right)$

B.$\left[\dfrac{1}{\rm e},+\infty\right)$

C.$\left({\rm e},+\infty\right)$

D.$\left[{\rm e},+\infty\right)$

答案    C.

解析    考虑函数 $g(x)=f(x)-x$,其导函数\[g'(x)=\dfrac{2(1-x)}x,\]因此函数 $g(x)$ 在 $(0,1)$ 上单调递增,在 $(1,+\infty)$ 上单调递减,在 $x=1$ 处取得极大值,亦为最大值 $g(1)=2\ln a-2$.

情形一    $a\in (0,{\rm e})$.此时 $g(1)<0$,因此对任意 $x>0$,均有 $f(x)<x$,进而对使得 $f(x)>0$ 的正实数 $x$,有\[f(f(x))<f(x)<x,\]因此 $F(x)$ 没有零点.

情形二    $a={\rm e}$.此时 $g(1)=0$,进而\[f(f(1))=f(1)=1,\]因此\[F(x)=0\iff \big(f(f(x))-f(x)\big)+\big(f(x)-x\big)=0\iff x=1,\]因此 $F(x)$ 有唯一零点 $x=1$.

情形三     $a\in ({\rm e},+\infty)$.此时 $g(1)>0$,进而可得 $g(x)$ 有两个零点 $x=x_1,x_2$($x_1<x_2$),这两个零点同时也是 $F(x)$ 的零点,且这两个零点将区间 $D=\{x\mid f(x)>0\}$ 分成 $3$ 个开区间,这三个开区间上 $F(x)$ 符号确定且均不为 $0$,因此 $F(x)$ 恰有两个零点.

综上所述,实数 $a$ 的取值范围是 $({\rm e},+\infty)$.

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