每日一题[2917]分离常数

已知函数 $f(x)={\rm e}^x-\dfrac{1}{2} a x^2-x$.

1、设 $f^{\prime}(x)$ 是 $f(x)$ 的导函数,讨论函数 $y=f^{\prime}(x)$ 的单调性.

2、当 $a \leqslant 1-\dfrac{1}{\rm e}$ 时,求证:$f(x)+x-\ln (x+1) \geqslant 1$.

解析

1、根据题意,有\[f'(x)={\rm e}^x-ax-1,\]函数 $f'(x)$ 的导函数\[f''(x)={\rm e}^x-a,\]于是当 $a\leqslant 0$ 时,函数 $f'(x)$ 在 $\mathbb R$ 上单调递增; 当 $a>0$ 时,函数 $f'(x)$ 在 $(-\infty,\ln a)$ 上单调递减,在 $(\ln a,+\infty)$ 上单调递增.

2、只需要证明\[{\rm e}^x-\dfrac 12\left(1-\dfrac{1}{\rm e}\right)x^2-\ln(x+1)-1\geqslant 0,\]考虑到 $\ln(x+1)\leqslant x-1$,当 $x\geqslant 0$ 时,有\[{\rm e}^x\geqslant 1+x+\dfrac 12x^2,\]命题显然成立,于是只需要证明当 $x\in (-1,0)$ 时,有\[\dfrac{{\rm e}^x-x-1}{x^2}\geqslant \dfrac 12\left(1-\dfrac{1}{\rm e}\right),\]设左侧函数为 $g(x)$,则其导函数\[g'(x)=\dfrac{{\rm e}^x(x-2)+x+2}{x^3},\]其分子部分设为 $h(x)$,则\[h'(x)={\rm e}^x(x-1)+1,\quad h''(x)={\rm e}^xx,\]于是 $h'(x)$ 在 $(-1,0)$ 上单调递减,有 $h'(x)>h(0)=0$,于是 $h(x)$ 单调递增,有 $h(x)<h(0)=0$,因此 $g(x)$ 在 $(-1,0)$ 上单调递增,这样可得当 $x\in (-1,0)$ 时,有\[g(x)>g(-1)=\dfrac{1}{\rm e}>\dfrac 12\left(1-\dfrac{1}{\rm e}\right),\]命题得证.

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