每日一题[2939]极值估计

已知函数 $f(x)=a \ln x+\dfrac{a-1}{x}-x$,其中 $a<2$.

1、讨论 $f(x)$ 的极值.

2、设 $m \in \mathbb{Z}$,当 $a=1$ 时,若关于 $x$ 的不等式 $f(x)<m-(x-2) {\rm e}^x$ 在区间 $(0,1]$ 上恒成立,求 $m$ 的最小值.

解析

1、函数 $f(x)$ 的导函数\[f'(x)=\dfrac{-(x-1)(x-(a-1))}{x^2},\]讨论分界点为 $a=1$. 当 $a\leqslant 1$ 时,函数 $f(x)$ 的极大值为 $f(1)=a-2$,无极小值; 当 $1<a<2$ 时,函数 $f(x)$ 的极大值为 $f(1)=a-2$,极小值为 $f(a-1)=a\ln(a-1)-a+2$.

2、题意即\[\forall x\in(0,1],~m>\ln x-x+(x-2){\rm e}^x,\]设不等式右侧为函数 $g(x)$,则其导函数\[g'(x)=\dfrac 1x-1+(x-1){\rm e}^x=(1-x)\left(\dfrac 1x-{\rm e}^x\right),\]于是函数 $g(x)$ 在 $(0,t)$ 上单调递增,在 $(t,1]$ 上单调递减,在 $x=t$ 处取得极大值,也为最大值\[T=g(t)=\ln t-t+(t-2){\rm e}^t,\]其中 $\dfrac 1t-{\rm e}^t=0$,也即 $\ln t=-t$.因此\[T=1-2\left(t+\dfrac 1t\right).\]容易判断出 $t\in\left(\dfrac 12,1\right)$,于是 $T\in(-4,-3)$,因此 $m$ 的最小值为 $-3$.

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