(1) 讨论函数$f(x)=\dfrac{x-2}{x+2}{\rm e}^x$的单调性,并证明当$x>0$时,$(x-2){\rm e}^x+x+2>0$;
(2) 证明:当$a\in [0,1)$时,函数$g(x)=\dfrac{{\rm e}^x-ax-a}{x^2}$($x>0$)有最小值.设$g(x)$的最小值为$h(a)$,求函数$h(a)$的值域.
解 (1) 函数$f(x)$的定义域为$(-\infty,-2)\cup (-2,+\infty)$,其导函数$$f'(x)=\dfrac {x^2}{(x+2)^2}{\rm e}^x,$$于是函数$f(x)$在$(-\infty,-2)$和$(-2,+\infty)$上都单调递增.
当$x>0$时,有$$f(x)>f(0)=-1,$$即$$\dfrac{x-2}{x+2}{\rm e}^x>-1,$$整理即得$$(x-2){\rm e}^x+x+2>0.$$
(2) 函数$g(x)$的导函数为$$g'(x)=\dfrac{x+2}{x^3}\cdot \left(\dfrac{x-2}{x+2}{\rm e}^x+a\right),$$令$h(x)=\dfrac{x-2}{x+2}{\rm e}^x+a$,则$$h(0)=a-1<0,h(2)=a\geqslant 0,$$结合第(1)小题结论,$h(x)$在$(0,2]$上有唯一零点$x=m$.进而可得函数$g(x)$在$(0,m)$上单调递减,在$(m,+\infty)$上单调递增,因此$x=m$也为函数$g(x)$的极小值点,亦为最小值点.因此当$a\in [0,1)$时,函数$g(x)$有最小值$g(m)$.
由于$$\dfrac{m-2}{m+2}{\rm e}^m+a=0,$$于是$$a=-\dfrac{m-2}{m+2}{\rm e}^m,$$当$a\in [0,1)$时,有$m\in(0,2]$.进而函数$g(x)$的最小值\[\begin{split} g(m)&=\dfrac{{\rm e}^m-\left(-\dfrac{m-2}{m+2}{\rm e}^m\right)\cdot(m+1)}{m^2} \\ &=\dfrac{{\rm e}^m}{m+2},\end{split} \]令$r(m)=\dfrac{{\rm e}^m}{m+2}$($m\in (0,2]$),则其导函数$$r'(m)=\dfrac{m+1}{(m+2)^2}{\rm e}^m>0,$$因此函数$r(m)$在$(0,2]$上单调递增,从而函数$h(a)$的值域,即函数$g(x)$的最小值的取值范围是$(r(0),r(2)]$,也即$\left(\dfrac 12,\dfrac 14{\rm e}^2\right]$.
注 此题第(2)小题故意使用关于$a$的函数$h(a)$误导解题者用$a$表示极值点,增加了问题的难度.
精彩的想法,在函数图象连续变化的前提下这样推理是可以的,可是一个含参数$a$的函数$f(x)$的最小值$h(a)$不一定是连续的哦.
第二问中若将$g(x)$整理为$\dfrac{{\rm e}^x}{x^2}-\dfrac{a(x+1)}{x^2}$,就可以得到
$$\dfrac{{\rm e}^x}{x^2}\geqslant g(x) > \dfrac{{\rm e}^x-(x+1)}{x^2},$$然后两边分别求最小值也可以吧
显然不可以,函数$g(x)$的图象在两个函数图象之间,并不代表着它的最小值的取值范围是这两个函数的最小值之间.自己画个图就知道了.更何况下界函数并无最小值.
若$f(x)\geqslant g(x)$,设$x=x_0$时$f(x)$取最小值,则有$$\min f(x)=f(x_0)\geqslant g(x_0)\geqslant \min g(x),$$而分别取$a$为$0,1$时,这最小值等号却能取到。右边的函数倒是只有极限值$\dfrac 12$,说明这个倒是很麻烦
最小值的最大值明显无法这样推理.
之前已经证明$f(x)\geqslant g(x)$,那么$$\min f(x)\geqslant \min g(x),$$
那么若$f(x)\geqslant g(x)\geqslant h(x)$,也就有
$$\min f(x)\geqslant \min g(x) \geqslant \min h(x),$$前提是他们在相同区间上有定义
我画图没看出反例来。。老师能否告诉我一个反例,我没想到自己漏想了什么地方。。。