已知函数 $f\left(x\right) = x - 1 + \dfrac{a}{{{{\mathrm{e}}^x}}}$,($a \in {\mathbb{R}}$,${\mathrm{e}}$ 为自然对数的底数).
【难度】
【出处】
2013年高考福建卷(文)
【标注】
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若曲线 $y = f\left(x\right)$ 在点 $\left(1,f\left(1\right)\right)$ 处的切线平行于 $x$ 轴,求 $a$ 的值;标注答案$a = {\mathrm{e}}$解析本题考查利用导数求曲线的切线问题.切点处的导数值等于切线的斜率.由 $f\left(x\right) = x - 1 + \dfrac{a}{{{{\mathrm{e}}^x}}}$,得\[f'\left(x\right) = 1 - \dfrac{a}{{{{\mathrm{e}}^x}}},\]又曲线 $y = f\left(x\right)$ 在点 $\left(1,f\left(1\right)\right)$ 处的切线平行于 $x$ 轴,得\[f'\left(1\right) = 0,\]即\[1 - \dfrac{a}{{\mathrm{e}}} = 0,\]解得 $a = {\mathrm{e}}$.
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求函数 $f\left(x\right)$ 的极值;标注答案当 $a \leqslant 0$ 时,函数 $f\left(x\right)$ 无极值;
当 $a > 0$ 时,$f\left(x\right)$ 在 $x = \ln a$ 处取得极小值 $\ln a$,无极大值.解析本题考查利用导数求函数的极值问题.根据导函数的正负判断出原函数的增减性即可.由\[f'\left(x\right) = 1 - \dfrac{a}{{{{\mathrm{e}}^x}}}\]可得:① 当 $a \leqslant 0$ 时,$f'\left(x\right) > 0$,$f\left(x\right)$ 为 $\left( - \infty , + \infty \right)$ 上的增函数,所以函数 $f\left(x\right)$ 无极值;
② 当 $a > 0$ 时,令 $f'\left(x\right) = 0$,得 ${{\mathrm{e}}^x} = a$,$x = \ln a$.\[x \in \left( - \infty ,\ln a\right),f'\left(x\right) < 0;\\ x \in \left(\ln a, + \infty \right),f'\left(x\right) > 0,\]所以 $f\left(x\right)$ 在 $\left( - \infty ,\ln a\right)$ 上单调递减,在 $\left(\ln a, + \infty \right)$ 上单调递增,
故 $f\left(x\right)$ 在 $x = \ln a$ 处取得极小值,且极小值为 $f\left(\ln a\right) = \ln a$,无极大值.
综上,当 $a \leqslant 0$ 时,函数 $f\left(x\right)$ 无极值;
当 $a > 0$ 时,$f\left(x\right)$ 在 $x = \ln a$ 处取得极小值 $\ln a$,无极大值. -
当 $a = 1$ 时,若直线 $l:y = kx - 1$ 与曲线 $y = f\left(x\right)$ 没有公共点,求 $k$ 的最大值.标注答案$ 1 $解析直线与曲线没有公共点,即联立后的方程无解,直接分类讨论或参变分离均可.解法一:
当 $a = 1$ 时,$f\left(x\right) = x - 1 + \dfrac{1}{{{{\mathrm{e}}^x}}}$,令\[ \begin{split}g\left(x\right) &= f\left(x\right) - \left(kx - 1\right) \\&= \left(1 - k\right)x + \dfrac{1}{{{{\mathrm{e}}^x}}},\end{split} \]则直线 $l:y = kx - 1$ 与曲线 $y = f\left(x\right)$ 没有公共点,等价于方程 $g\left(x\right) = 0$ 在 ${\mathbb{R}}$ 上没有实数解.
假设 $k > 1$,此时\[ \begin{split}&g\left(0\right) = 1 > 0 ,\\ &g\left( {\dfrac{1}{k - 1}} \right) = - 1 + \dfrac{1}{{{{\mathrm{e}}^{\frac{1}{k - 1}}}}} < 0.\end{split} \]又函数 $g\left(x\right)$ 的图象连续不断,由零点存在性定理,可知 $g\left(x\right) = 0$ 在 ${\mathbb{R}}$ 上至少有一解,与"方程 $g\left(x\right) = 0$ 在 $\mathbb{R}$ 上没有实数解"矛盾,故 $k \leqslant 1$.
又 $k = 1$ 时,\[g\left(x\right) = \dfrac{1}{{{{\mathrm{e}}^x}}} > 0,\]知方程 $g\left(x\right) = 0$ 在 ${\mathbb{R}}$ 上没有实数解,所以 $k$ 的最大值为 $ 1 $.
解法二:
当 $a = 1$ 时,$f\left(x\right) = x - 1 + \dfrac{1}{{{{\mathrm{e}}^x}}}$,
直线 $l:y = kx - 1$ 与曲线 $y = f\left(x\right)$ 没有公共点,
等价于关于 $x$ 的方程 $kx - 1 = x - 1 + \dfrac{1}{{{{\mathrm{e}}^x}}}$ 在 ${\mathbb{R}}$ 上没有实数解,
即关于 $x$ 的方程:\[\left(k - 1\right)x = \dfrac{1}{{{{\mathrm{e}}^x}}} \quad \cdots \cdots \left(*\right)\]在 ${\mathbb{R}}$ 上没有实数解.
① 当 $k = 1$ 时,方程 $\left(*\right)$ 可化为 $\dfrac{1}{{{{\mathrm{e}}^x}}} = 0$,在 ${\mathbb{R}}$ 上没有实数解.
② 当 $k \ne 1$ 时,方程 $\left(*\right)$ 化为 $\dfrac{1}{k - 1} = x{{\mathrm{e}}^x}$.
令 $g\left(x\right) = x{{\mathrm{e}}^x}$,则有\[g'\left(x\right) = \left(1 + x\right){{\mathrm{e}}^x}.\]令 $g'\left(x\right) = 0$,得\[x = - 1,\]当 $x$ 变化时,$g'\left(x\right),g\left(x\right)$ 的变化情况如下表:\[ \begin{array}{|c|c|c|c|} \hline x & \left(-\infty ,-1\right)& -1 & \left(-1,+\infty \right)\\ \hline g'\left(x\right)& - & 0 & + \\ \hline g\left(x\right)& ↘ & -\frac{1}{\mathrm{e}} & ↗ \\ \hline \end{array} \]当 $x = - 1$ 时,$g{\left(x\right)_{\min }} = - \dfrac{1}{{\mathrm{e}}}$,同时当 $x$ 趋于 $ + \infty $ 时,$g\left(x\right)$ 趋于 $ + \infty $,
从而 $g\left(x\right)$ 的取值范围为 $\left[ { - \dfrac{1}{{\mathrm{e}}}, + \infty } \right)$.
所以当 $\dfrac{1}{k - 1} \in \left( { - \infty , - \dfrac{1}{{\mathrm{e}}}} \right)$ 时,方程 $\left(*\right)$ 无实数解,
解得 $k$ 的取值范围是 $\left(1 - {\mathrm{e}},1\right)$.
综合 ①②,得 $k$ 的最大值为 $ 1 $.
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
问题3
答案3
解析3
备注3