2010年高考大纲全国II卷理科数学压轴题

设函数$f(x)=1-{\rm e}^{-x}$.

(1)证明:当$x>-1$时,$f(x)\geqslant \dfrac{x}{x+1}$;

(2)设当$x \geqslant 0$时,$f(x)\leqslant \dfrac{x}{ax+1}$,求$a$的取值范围.


(1)证明    题中不等式即$$1-\dfrac{1}{{\rm e}^x}\geqslant 1-\dfrac{1}{x+1},$$于是只需要证明$${\rm e} ^x\geqslant x+1,$$记$g(x)={\rm e} ^x-x-1$,则其导函数$$g'(x)={\rm e} ^x-1,$$于是$g(x)$在$x=0$处取得最小值$0$,因此$$\forall x>-1,g(x)\geqslant 0,$$原命题得证.

(2)    分析端点,当$x=0$时,左边和右边均为$0$;而当$x\to+ \infty $时,$$1-{\rm e}^{-x}\to 1,$$而当$a=0$时,$$\dfrac{x}{ax+1}\to +\infty ,$$当$a\neq 0$时,$$\dfrac{x}{ax+1}\to \dfrac 1a,$$因此得到必要条件$0\leqslant a\leqslant 1$.

否则,若$a<0$,则取$x=-\dfrac 1a+1$,则$$\dfrac{x}{ax+1}<0<1-{\rm e}^{-x},$$矛盾.

若$a>1$,则取$x=\ln\dfrac{a}{a-1}$,则$$\dfrac{x}{ax+1}<\dfrac 1a=1-{\rm e}^{-x},$$矛盾.

于是原命题等价于$$\forall x\geqslant 0,\dfrac{{\rm e}^x-1}{{\rm e}^x}\cdot (ax+1)\leqslant x,$$即$$\forall x\geqslant 0,{\rm e}^x\left[(1-a)x-1\right]+ax+1\geqslant 0,$$记左侧函数为$h(x)$,注意到$h(0)=0$,而其导函数$$h'(x)={\rm e}^x\left[(1-a)x-a\right]+a,$$又$h'(0)=0$,而其导函数$$h'^\prime (x)={\rm e}^x\left[(1-a)x+1-2a\right],$$于是$$h'^\prime(0)=1-2a \geqslant 0,$$从而$$0\leqslant a\leqslant \dfrac 12.$$

若不然,$a>\dfrac 12$时,考虑区间$\left[0,\dfrac{2a-1}{1-a}\right]$,在该区间上,$h'^\prime (x)\leqslant 0$,于是$h'(x)$单调递减,又$h'(0)=0$,于是$h'(x)<0$,从而$h(x)$单调递减,又$h(0)=0$,于是$h(x)\leqslant 0$,矛盾.

下面证明$0\leqslant a\leqslant \dfrac 12$的充分性.

当$0\leqslant a \leqslant \dfrac 12$时,$$h'^\prime (x)={\rm e}^x\cdot (1-a)\cdot\left(x+\dfrac{1-2a}{1-a}\right)$$对任意$x \geqslant 0$均不小于$0$.于是在区间$[0,+\infty )$上,$h'(x)$单调递增,又$h'(0)=0$,于是$h'(x)\geqslant 0$,进而$h(x)$单调递增,于是$h(x)\geqslant 0$,命题成立.

综上,$a$的取值范围是$\left[0,\dfrac 12\right]$.

   第一问的结论实际上提示了第二问中$a \leqslant 1$.

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