每日一题[2929]精确计算

已知函数 $f(x)=\ln x$,$ h(x)=a x$($a \in \mathbb R$).

1、函数 $f(x)$ 的图象与 $h(x)$ 的图象无公共点,求实数 $a$ 的取值范围.

2、是否存在实数 $m$,使得对任意的 $x \in\left(\dfrac{1}{2},+\infty\right)$,都有函数 $y=f(x)+\dfrac{m}{x}$ 的图象在 $g(x)=\dfrac{{\rm e}^x}{x}$ 的图象的下方?若存在,请求出整数 $m$ 的最大值;若不存在,请说明理由. (参考数据:$\ln 2=0.6931\cdots$,$\ln 3=1.0986\cdots$,$\sqrt {\rm e}=1.6487\cdots$,$\sqrt[3]{\rm e}=1.3956\cdots$)

解析

1、方程 $f(x)=h(x)$ 即 $a=\dfrac{\ln x}{x}$,设 $\varphi(x)=\dfrac{\ln x}x$,则其导函数\[\varphi'(x)=\dfrac{1-\ln x}{x^2},\]于是\[\begin{array}{c|c|c|c|c|c}\hline x&0+&(0,{\rm e})&{\rm e}&({\rm e},+\infty)&+\infty\\ \hline \varphi(x)&-\infty&\nearrow&\dfrac{1}{\rm e}&\searrow&0\\ \hline\end{array}\]因此当 $a\in\left(-\infty,\dfrac{1}{\rm e}\right]$ 时函数 $f(x)$ 的图象与 $h(x)$ 的图象有公共点,因此实数 $a$ 的取值范围是 $\left(\dfrac{1}{\rm e},+\infty\right)$.

2、根据题意,有\[\forall x>\dfrac 12,~\ln x+\dfrac mx<\dfrac{{\rm e}^x}{x},\]即\[\forall x>\dfrac 12,~m<{\rm e}^x-x\ln x,\]设不等式右侧函数为 $p(x)$,则其导函数\[p'(x)={\rm e}^x-1-\ln x\geqslant (x+1)-1-(x-1)=1>0,\]于是 $p(x)$ 在 $\left(\dfrac 12,+\infty\right)$ 上单调递增,从而题意即\[m\leqslant p\left(\dfrac 12\right)=\sqrt{\rm e}+\dfrac 12\ln2<1.6488+\dfrac 12\cdot 0.6932=1.9954<2,\]因此整数 $m$ 的最大值为 $1$.

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