已知函数 $f(x)=a\ln{x}+\sqrt{1+x}$,
【难度】
【出处】
2019年高考浙江卷
【标注】
  1. 当 $a=-\dfrac{3}{4}$ 时,求函数 $f(x)$ 的单调区间.
    标注
    答案
    解析
    $f^{\prime}(x)=\dfrac{a}{x}+\dfrac{1}{2\sqrt{1+x}}$,当 $a=-\dfrac{3}{4}$ 时,$f^{\prime}(x)=-\dfrac{3}{4x}+\dfrac{1}{2\sqrt{1+x}}$,令 $x=\tan^2{t},t\in\left(0,\dfrac{\pi}{2}\right)$,
    则 $s=-\dfrac{3}{4x}+\dfrac{1}{2\sqrt{1+x}}=-\dfrac{\cos{t}(2\cos{t}-1)(\cos{t}+2)}{4\sin^2t}$,
    容易得到当 $\cos{t}\in(0,\dfrac{1}{2}),此时x=\tan^2t\in(3,+\infty)$,$s>0$,综合可知 $f(x)$ 递增区间为 $(3,+\infty)$,递增区间为 $(0,3)$.
  2. 对任意的 $x\in\left[\dfrac{1}{{\rm{e}}^2},+\infty\right)$ 均有 $f(x)\leqslant\dfrac{\sqrt{x}}{2a}$,求 $a$ 的取值范围.
    标注
    答案
    解析
    令 $b(x)=a\ln{x}+\sqrt{1+x}-\dfrac{\sqrt{x}}{2a}$,命题成立的必要条件为 $b(1)\le0$,解得 $a\in\left(0,\dfrac{\sqrt2}{4}\right]$.
    于是命题转化为 $g(a)=2a^2\ln{x}+2a\sqrt{1+x}-\sqrt{x}\le0$ 在 $x\in\left[\dfrac{1}{{\rm{e}}^2},+\infty\right)$ 恒成立,在 $a\in\left(0,\dfrac{\sqrt2}{4}\right]$ 情况下求 $a$ 的范围.接下来进入二次函数讨论.
    1°当 $x=1$,即 $2\ln{x}=0$,命题已经验证,$a\in\left(0,\dfrac{\sqrt2}{4}\right]$.
    2°当 $0<x<1$,即 $2\ln{x}<0$,
    考虑 对称轴 $l(x)=-\dfrac{\sqrt{1+x}}{2\ln{x}}$,
    以及判别式 $\Delta(x)=4(1+x+2\sqrt{x}\ln{x})=4\sqrt{x}\left(\dfrac{1}{\sqrt{x}}+\sqrt{x}+4\ln{\sqrt x}\right)$,
    2.1°考虑函数 $h(x)=\dfrac{1}{x}+x+4\ln{x}$,
    $h^{\prime}(x)=-\dfrac{1}{x^2}+1+\dfrac{4}{x}=\dfrac{x^2+4x-1}{x^2}>0(x>\dfrac{1}{e})$,
    $h(\dfrac{1}{e})<0,h(\dfrac{1}{2})=2.5-4\ln2<0$,
    即当 $x\in\left[\dfrac{1}{e^2},\dfrac{1}{4}\right]$,$\Delta(x)<0$,符合题意.
    2.2°而当 $1>x>\dfrac{1}{4}$ 时,由 $l(x)=\sqrt{1+x}\left(-\dfrac{1}{2\ln x}\right)$ 两个恒正单调增函数相乘,是个递增函数.
    $l(x)>l(\dfrac{1}{4})=\dfrac{\sqrt{5}}{8\ln2}>\dfrac{\sqrt{2}}{4}$,当 $a\in\left(0,\dfrac{\sqrt2}{4}\right]$,$g(a)\leqslant g(\dfrac{\sqrt{2}}{4})$
    令 $w(x)=g(\dfrac{\sqrt{2}}{4})=\dfrac{1}{4}\ln x+\dfrac{\sqrt{2}}{2}\sqrt{1+x}-\sqrt{x}$
    $w^{\prime}(x)=\dfrac{1}{4x}+\dfrac{\sqrt{2}}{4\sqrt{1+x}}-\dfrac{1}{2\sqrt{x}}$,
    三角换元令 $x=\tan^2t$,其中 $t$ 是锐角,在本次讨论中,$\dfrac{1}{4}<\tan t<1$.
    上式变形为 $\dfrac{\cos{t}(\cos{t}+\sqrt{2}\sin^2t-2\sin{t})}{4\sin^2t}$,
    令 $v(t)=\cos{t}+\sqrt{2}\sin^2t-2\sin{t}$,$v^{\prime}(t)=-\sin{t}+2\sqrt{2}\sin{t}\cos{t}-2\cos{t}<-\sin^2{t}+2\sqrt{2}\sin{t}\cos{t}-2\cos^2{t}\le0$,故 $v(t)$ 单调递减,又 $v(\dfrac{\pi}{4})=0$,因此 $\dfrac{1}{4}<\tan t<1$ 时,$w^{\prime}(x)>0$,$w(x)$ 单调递增,$w(x)<w(1)=0$,$a$ 的范围依然是 $a\in\left(0,\dfrac{\sqrt2}{4}\right]$
    3°当 $x>1$ 时,$l(x)<0$,$g(0)=-sqrt{x}<0$.$g(\dfrac{\sqrt{2}}{4})$ 依然讨论 $w(x)$ 此时范围为 $\tan{t}>1$,$w^{\prime}(x)<0$,结合 $w(1)=0$.
    综上 $a\in\left(0,\dfrac{\sqrt2}{4}\right]$.
题目 问题1 答案1 解析1 备注1 问题2 答案2 解析2 备注2
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