每日一题[2955]中值相依

已知函数 $f(x)=\ln x-\dfrac{1}{2} a x^2+(a-1) x$($a \in \mathbb R$,且 $a \neq 0$).

1、求函数 $f(x)$ 的单调性.

2、记函数 $y=F(x)$ 的图象为曲线 $C$,设点 $A\left(x_1, y_1\right), B\left(x_2, y_2\right)$ 是曲线 $C$ 上的不同两点.如果在曲线 $C$ 上存在点 $M\left(x_0, y_0\right)$,使得

① $x_0=\dfrac{x_1+x_2}{2}$;

② 曲线 $C$ 在点 $M$ 处的切线平行于直线 $A B$, 则称函数 $F(x)$ 存在“中值相依切线”.

试问:函数 $f(x)$ 是否存在中值相依切线,请说明理由.

解析

1、函数 $f(x)$ 的导函数\[f'(x)=\dfrac{-a(x-1)(ax+1)}{x},\]于是讨论分界点为 $a=-1,0$.

情形一    $a<-1$.此时函数 $f(x)$ 在 $\left(0,-\dfrac 1a\right)$ 上单调递增,在 $\left(-\dfrac 1a,1\right)$ 上单调递减,在 $(1,+\infty)$ 上单调递增.

情形二     $a=-1$.此时函数 $f(x)$ 在 $(0,+\infty)$ 上单调递增.

情形三    $-1<a<0 $.此时函数 $ f(x)$ 在 $(0,1)$ 上单调递增,在 $ \left(1,-\dfrac 1a\right)$ 上单调递减,在 $ \left(-\dfrac 1a,+\infty\right)$ 上单调递增.

情形四     $ a>0 $.此时函数 $ f(x)$ 在 $(0,1)$ 上单调递增,在 $(1,+\infty)$ 上单调递减.

2、直线 $AB$ 的斜率\[k=\dfrac{y_1-y_2}{x_1-x_2}=\dfrac{\ln x_1-\ln x_2}{x_1-x_2}-\dfrac a2(x_1+x_2)+(a-1),\]曲线 $C$ 在 $M$ 处的切线斜率\[k_0=f'\left(\dfrac{x_1+x_2}2\right)=\dfrac{2}{x_1+x_2}-\dfrac a2(x_1+x_2)+(a-1),\]根据对数平均不等式,有\[\dfrac{\ln x_1-\ln x_2}{x_1-x_2}>\dfrac{2}{x_1+x_2},\]因此 $k_0>k$,因此函数 $f(x)$ 不存在中值相依直线.

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