每日一题[2841]两路合围

设函数 $f\left( x \right) = \dfrac{x}{{{{\mathrm{e}}^{2x}}}} + c$(${\mathrm{e}} = 2.71828 \cdots $ 是自然对数的底数,$c \in {\mathbb{R}}$).

1、求 $f\left( x \right)$ 的单调区间、最大值.

2、讨论关于 $x$ 的方程 $\left| {\ln x} \right| = f\left( x \right)$ 的实数解的个数.

解析

1、本题考查了利用导数研究函数的单调性和最值,根据导函数的零点展开讨论即可.

根据题意,函数 $f(x)$ 的导函数\[ {f}'\left(x\right)=\left(1-2x\right){{{\mathrm{e}}}^{-2x}} ,\]于是\[\begin{array}{c|ccc}\hline x&\left(-\infty,\dfrac 12\right)&\dfrac 12&\left(\dfrac 12,+\infty\right)\\ \hline f'(x)&+&0&-\\ \hline f(x)&\nearrow&\text{极大值}~ \dfrac 12{\rm e}^{-1}+c&\searrow \\ \hline\end{array}\]因此函数 $ f\left(x\right) $ 的单调递增区间是 $ \left(-\infty ,\dfrac{1}{2}\right) $,单调递减区间是 $ \left(\dfrac{1}{2},+\infty \right) $,极大值亦为最大值是 $\dfrac{1}{2}{{{\mathrm{e}}}^{-1}}+c $.

2、本题考查利用导数研究函数的零点,分析函数的单调性并论证两侧的极限是解决问题的关键.

设 $g(x)=|\ln x|-f(x)$,则\[g(x)=\begin{cases} -\ln x-x{\rm e}^{-2x}-c,&x\in(0,1),\\ \ln x-x{\rm e}^{-2x}-c,&x\in (1,+\infty),\end{cases}\]其导函数\[g'(x)=\begin{cases} {\rm e}^{-2x}\left(-\dfrac{{\rm e}^{2x}}{x}+2x-1\right),&x\in (0,1),\\ {\rm e}^{-2x}\left(\dfrac{{\rm e}^{2x}}{x}+2x-1\right),&x\in (1,+\infty),\end{cases}\]当 $x\in (0,1)$ 时,有\[-\dfrac{{\rm e}^{2x}}{x}+2x-1<-\dfrac 1x+2x-1=\left(x-\dfrac 1x\right)+(x-1)<0,\]当 $x\in (1,+\infty)$ 时,有\[\dfrac{{\rm e}^{2x}}{x}+2x-1>2x-1>0,\]因此函数 $g(x)$ 在 $(0,1)$ 上单调递减,在 $(1,+\infty)$ 上单调递增,在 $x=1$ 处取得最小值 $g(1)=-{\rm e}^{-2}-c$. 当 $x\in (0,1)$ 时,有\[g(x)=-\ln x-x{\rm e}^{-2x}-c>-\ln x-1-c,\]因此当 $x<{\rm e}^{-1-c}$ 时,有 $g(x)>0$; 当 $x\in (1,+\infty)$ 时,有\[g(x)=\ln x-x{\rm e}^{-2x}-c>\ln x-\dfrac x{1+2x}-c>\ln x-\dfrac 12-c,\]因此当 $x>{\rm e}^{1+c}$ 时,有 $g(x)>0$.

综上所述,关于 $x$ 的方程 $|\ln x|=f(x)$ 的实数解的个数为\[\begin{cases} 0,&c<-{\rm e}^{-2},\\ 1,&c=-{\rm e}^{-2},\\ 2,&c>-{\rm e}^{-2}.\end{cases}\]

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