设函数 $f\left(x\right)=ax^2-a-\ln x$,其中 $a\in\mathbb R$.
【难度】
【出处】
【标注】
  1. 讨论 $f\left(x\right)$ 的单调性;
    标注
    答案
    当 $a\leqslant 0$ 时,函数 $f\left(x\right)$ 在 $\left(0,+\infty\right)$ 上单调递减;
    当 $a>0$ 时,函数 $f\left(x\right)$ 在 $\left(0,\sqrt{\dfrac{1}{2a}}\right)$ 上单调递减,在 $\left(\sqrt{\dfrac{1}{2a}},+\infty\right)$ 上单调递增.
    解析
    本小题考查利用导函数研究函数的单调性.函数 $f\left(x\right)$ 的定义域为 $\left(0,+\infty\right)$,其导函数\[f'\left(x\right)=\dfrac{2ax^2-1}x,x>0,\]于是当 $a\leqslant 0$ 时,函数 $f\left(x\right)$ 在 $\left(0,+\infty\right)$ 上单调递减;当 $a>0$ 时,函数 $f\left(x\right)$ 在 $\left(0,\sqrt{\dfrac{1}{2a}}\right)$ 上单调递减,在 $\left(\sqrt{\dfrac{1}{2a}},+\infty\right)$ 上单调递增.
  2. 确定 $a$ 的所有可能取值,使得 $f\left(x\right)>\dfrac 1x-{\mathrm e}^{1-x}$ 在区间 $\left(1,+\infty\right)$ 内恒成立.(${\mathrm e}=2.718\cdots $ 为自然对数的底数)
    标注
    答案
    实数 $a$ 的取值范围是 $\left[\dfrac 12,+\infty\right)$.
    解析
    本小题可以利用端点分析得到分界点,然后适当放缩进行论证即可.题中不等式即\[a\left(x^2-1\right)-\ln x-\dfrac 1x+{\mathrm e}^{1-x}>0,\]记左侧为函数 $g\left(x\right)$,其导函数为\[g'\left(x\right)=2ax-\dfrac 1x+\dfrac{1}{x^2}-{\mathrm e}^{1-x}.\]注意到 $g\left(1\right)=0$,于是可以分析端点$x=1$ 处的导函数值 $g'\left(1\right)=2a-1$,得到分界点 $a=\dfrac 12$.在以下讨论中,默认 $x$ 的范围是 $\left(1,+\infty\right)$.
    ① $a\geqslant \dfrac 12$.
    此时有\[g\left(x\right)\geqslant \dfrac 12\left(x^2-1\right)-\ln x-\dfrac 1x+{\mathrm e}^{1-x},\]记右侧为函数 $h\left(x\right)$,则其导函数\[h'\left(x\right)=x-\dfrac 1x+\dfrac 1{x^2}-{\mathrm e}^{1-x}.\]我们熟知 $\ln x<x-1$,从而 $1-x<\ln \dfrac 1x$,即 ${\mathrm e}^{1-x}<\dfrac 1x$,因此\[h'\left(x\right)>x-\dfrac 1x+\dfrac{1}{x^2}-\dfrac 1x=\dfrac{\left(x-1\right)\left(x^2+x-1\right)}{x^2}>0,\]于是函数 $h\left(x\right)$ 单调递增,而 $h\left(1\right)=0$,因此 $g\left(x\right)\geqslant h\left(x\right)>0$,符合题意.
    ② $a<\dfrac 12$.
    此时有\[g\left(x\right)<a\left(x^2-1\right)+\left(\dfrac 1x-1\right)-\dfrac 1x+\dfrac 1x=\left(x^2-1\right)\left[a-\dfrac{1}{x\left(x+1\right)}\right].\]若 $a\leqslant 0$,则 $g\left(x\right)<0$,显然不符合题意;若 $0<a<\dfrac 12$,则当 $x\in \left(1,\dfrac 12\left(-1+\sqrt{1+\dfrac 4a}\right)\right)$ 时,有 $g\left(x\right)<0$,不符合题意.
    综上所述,实数 $a$ 的取值范围是 $\left[\dfrac 12,+\infty\right)$.
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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