已知函数 $f(x)=(x-2){\rm e}^x+a(x-1)^2$.
【难度】
【出处】
2016年高考全国乙卷(文)
【标注】
  • 知识点
    >
    微积分初步
    >
    利用导数研究函数的性质
    >
    利用导数研究函数的单调性
  • 知识点
    >
    微积分初步
    >
    导数问题中的技巧
    >
    参数的讨论
  • 知识点
    >
    微积分初步
    >
    利用导数研究函数的性质
    >
    利用导数研究函数的零点
  • 知识点
    >
    微积分初步
    >
    导数问题中的技巧
    >
    极限叙述
  1. 讨论 $f(x)$ 的单调性;
    标注
    • 知识点
      >
      微积分初步
      >
      利用导数研究函数的性质
      >
      利用导数研究函数的单调性
    • 知识点
      >
      微积分初步
      >
      导数问题中的技巧
      >
      参数的讨论
    答案
    当 $a<-\dfrac{\rm e}2$ 时,$f(x)$ 在 $(-\infty,1)$ 和 $(\ln(-2a),+\infty)$ 上单调递增,在 $(1,\ln(-2a))$ 上单调递减.
    当 $a=-\dfrac{\rm e}2$ 时,$f(x)$ 在 $\mathbb R$ 上单调递增.
    当 $-\dfrac{\rm e}2<a<0$ 时,$f(x)$ 在 $(-\infty,\ln(-2a))$ 和 $(1,+\infty)$ 上单调递增,在 $(\ln(-2a),1)$ 上单调递减.
    当 $a\geqslant 0$ 时,$f(x)$ 在 $(-\infty,1)$ 上单调递减,在 $(1,+\infty)$ 上单调递增
    解析
    函数 $f(x)$ 的导函数$$f'(x)=(x-1)({\rm e}^x+2a),$$因此可以得到讨论的分界点为 $-\dfrac{\rm e}2,0$.
    情形一当 $a<-\dfrac{\rm e}2$ 时,$\ln (-2a)>1$,因此函数 $f(x)$ 在 $(-\infty,1)$ 上单调递增,在 $(1,\ln(-2a))$ 上单调递减,在 $(\ln(-2a),+\infty)$ 上单调递增.
    情形二当 $a=-\dfrac{\rm e}2$ 时,$\ln (-2a)=1$,因此函数 $f(x)$ 在 $\mathbb R$ 上单调递增.
    情形三当 $-\dfrac{\rm e}2<a<0$ 时,$\ln (-2a)<1$,因此函数 $f(x)$ 在 $(-\infty,\ln(-2a))$ 上单调递增,在 $(\ln(-2a),1)$ 上单调递减,在 $(1,+\infty)$ 上单调递增.
    情形四当 $a\geqslant 0$ 时,${\rm e}^x+2a>0$,因此函数 $f(x)$ 在 $(-\infty,1)$ 上单调递减,在 $(1,+\infty)$ 上单调递增.
  2. 若 $f(x)$ 有两个零点,求 $a$ 的取值范围.
    标注
    • 知识点
      >
      微积分初步
      >
      利用导数研究函数的性质
      >
      利用导数研究函数的零点
    • 知识点
      >
      微积分初步
      >
      导数问题中的技巧
      >
      极限叙述
    答案
    $(0,+\infty)$
    解析
    显然 $x=1$ 不是函数 $f(x)$ 的零点.当 $x\neq 1$ 时,方程 $f(x)=0$ 等价于$$a=\dfrac{2-x}{(x-1)^2}\cdot {\rm e}^x.$$记右侧函数为 $g(x)$,则 $g(x)$ 的导函数$$g'(x)=-{\rm e}^x\cdot \dfrac{x^2-4x+5}{(x-1)^3},$$因此函数 $g(x)$ 在 $(-\infty,1)$ 上单调递增,而在 $(1,+\infty)$ 上单调递减,考虑到\[\lim_{x\to -\infty}g(x)=0,\lim_{x\to +\infty}g(x)=+\infty,\]于是 $a$ 的取值范围是 $(0,+\infty)$,证明如下.
    情形一 $x<1$ 时.考虑到当 $0\leqslant x<1$ 时,有\[(2-x)\cdot {\rm e}^x>1,\]于是取 $x_1=\max\left\{0,1-\dfrac{1}{\sqrt a}\right\}$,则有 $g(x_1)>a$.而当 $x<0$ 时,有\[\dfrac{2-x}{(x-1)^2}<2,\]于是取 $x_2=\min \left\{\ln\dfrac a2,0\right\}$ 时,有 $g(x_2)<a$.
    因此在区间 $(x_2,x_1)$ 上 $g(x)$ 存在零点.
    情形二 $x>1$ 时.考虑到当 $1<x<\dfrac 32$ 时,有\[(2-x)\cdot {\rm e}^x>\dfrac 12,\]于是取 $x_3=\min\left\{\dfrac 32,1+\dfrac{1}{\sqrt 2a}\right\}$,则 $g(x_3)>a$,取 $x_4=3$,则 $g(x_4)<0<a$.因此在区间 $(x_3,x_4)$ 上 $g(x)$ 存在零点.
    综合以上两种情形,结合函数 $g(x)$ 的单调性,实数 $a$ 的取值范围是 $(0,+\infty)$.
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
0.118014s