每日一题[3119]勘探地形

已知函数 $f(x)=a x {\rm e}^x-a x+a-{\rm e}^x$($a>0$),若有且仅有两个整数 $x_i$($i=1,2$),满足 $f\left(x_i\right)<0$,则实数 $a$ 的取值范围为_______.

答案    $\left[\dfrac{{\rm e}^2}{2{\rm e}^2-1}, 1\right)$.

解析    函数 $f(x)=a\left(x{\rm e}^x-x+1\right)-{\rm e}^x$,由于\[x{\rm e}^x-x+1=x\left({\rm e}^x-1\right)+1\geqslant 1,\]于是\[f(x)<0\iff \dfrac 1a>x-(x-1){\rm e}^{-x},\]设 $g(x)=x-(x-1){\rm e}^{-x}$,则其导函数\[g'(x)=1+{\rm e}^{-x}(-2+x),\]其二阶导函数\[g''(x)={\rm e}^{-x}(3-x),\]因此当 $x\in(-\infty,2)$ 时,$g'(x)$ 单调递增,结合 $g'(0)=-1$,$g'(1)=1-{\rm e}^{-1}>0$,可得 $g'(x)$ 在 $(0,1)$ 上有唯一零点 $x_0$;当 $x\in [2,+\infty)$ 时,有 $g'(x)>0$;因此函数 $g(x)$ 在 $(-\infty,x_0)$ 上单调递减,在 $(x_0,+\infty)$ 上单调递增.而\[\begin{array}{c|c|c|c|c}\hline x&-1&0&1&2\\ \hline g(x)&-1+2{\rm e}&1&1&2-{\rm e}^{-2}\\ \hline\end{array}\]因此 $\dfrac 1a$ 的取值范围是 $\left(1,2-{\rm e}^{-2}\right]$,从而实数 $a$ 的取值范围是 $\left[\dfrac{{\rm e}^2}{2{\rm e}^2-1}, 1\right)$.

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