已知函数 $f(x)=a(x+\ln x)$,$g(x)=x^2$.
【难度】
【出处】
【标注】
  1. 若 $a=1$,求证:$f(x)\leqslant g(x)$;
    标注
    答案
    解析
    当 $a=1$ 时,令 $h(x)=f(x)-g(x)=-x^2+x+\ln x$,求导得$$h'(x)=-2x+1+\dfrac1x=\dfrac{(2x+1)(-x+1)}{x},$$因此 $h(x)$ 在 $(0,1)$ 上单调递减,在 $(1,+\infty)$ 上单调递增,再结合$$h(1)=0,$$因此 $h(x)\leqslant0$,即 $f(x)\leqslant g(x)$.
  2. 判断函数 $\varphi(x)=f(x)-g(x)$ 的零点个数.
    标注
    答案
    当 $a<0$ 时,函数 $\varphi(x)$ 的零点个数为 $1$;
    当 $0\leqslant<a<1$ 时,函数 $\varphi(x)$ 的零点个数为 $0$;
    当 $a=1$ 时,函数 $\varphi(x)$ 的零点个数为 $1$;
    当 $a>1$ 时,函数 $\varphi(x)$ 的零点个数为 $2$
    解析
    由题可知 $\varphi(x)=a(x+\ln x)-x^2$,求导得$$\varphi'(x)=a+\dfrac{a}{x}-2x=\dfrac{-2x^2+ax+a}{x},$$情形一 当 $a<0$ 时,$\varphi'(x)<0$,函数 $\varphi(x)$ 单调递减,注意到$$\varphi(1)=a-1<0,$$再取 $x_1=\mathrm{e}^{\frac1a-1}$,则有$$\varphi(x_1)=a(x_1+\ln x_1)-x_1^2>a\ln x_1+(a-1)=0,$$此时零点个数为 $1$;
    情形二 当 $a=0$ 时,$\varphi(x)=-x^2<0$,此时零点个数为 $0$;
    情形三 当 $0<a<1$ 时,在 $x+\ln x\leqslant0$ 时,$$\varphi(x)=a(x+\ln x)-x^2<0,$$在 $x+\ln x>0$ 时,结合第一小问,有$$\varphi(x)=a(x+\ln x)-x^2<x+\ln x-x^2\leqslant0,$$此时零点个数为 $0$;
    情形四 当 $a=1$ 时,结合第一小问可知,$\varphi(x)$ 的零点为 $x=1$,此时零点个数为 $1$;
    情形五 当 $a>1$ 时,令 $\varphi'(x)=0$,得$$x_1=\dfrac{a+\sqrt{a^2+8}}{4},$$因此 $\varphi(x)$ 在 $(0,x_1)$ 单调递增,在 $(x_1,+\infty)$ 上单调递减.
    注意到 $\varphi(1)=a-1>0$,取 $x_1=\dfrac{1}{\mathrm{e}}$,有$$\varphi\left(x_1\right)=a\left(\dfrac{1}{\mathrm{e}}\right)-\dfrac{1}{\mathrm{e}^2}<0,$$因此函数 $\varphi(x)$ 在 $\left(\dfrac{1}{\mathrm{e}},1\right)$ 上存在一个零点;
    我们熟知 $\ln x\leqslant x-1$,取 $x_2=2a$,则\[\begin{split}\varphi(x_2)&=a\left(x_2+\ln x_2\right)-x_2^2\\&\leqslant a\left(2x_2-1\right)-x_2^2\\&=-x_2(x_2-2a)-a\\&<0,\end{split}\]因此函数 $\varphi(x)$ 在 $(1,2a)$ 上存在一个零点;
    综上,当 $a<0$ 时,函数 $\varphi(x)$ 的零点个数为 $1$;
    当 $0\leqslant<a<1$ 时,函数 $\varphi(x)$ 的零点个数为 $0$;
    当 $a=1$ 时,函数 $\varphi(x)$ 的零点个数为 $1$;
    当 $a>1$ 时,函数 $\varphi(x)$ 的零点个数为 $2$.
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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