已知函数 $f\left(x\right) = \dfrac{1 - x}{{1 + {x^2}}}{{\mathrm{e}}^x}$.
【难度】
【出处】
【标注】
  1. 求 $f\left(x\right)$ 的单调区间;
    标注
    答案
    $f\left(x\right)$ 的单调递增区间为 $\left( - \infty ,0\right)$,单调递减区间为 $\left(0, + \infty \right)$.
    解析
    本题考查利用导数求函数的单调区间.函数 $f\left(x\right)$ 的定义域为 $\left( - \infty , + \infty \right)$.对 $f\left(x\right)$ 求导得\[\begin{split}f'\left(x\right) &= {\left( {\dfrac{1 - x}{{1 + {x^2}}}} \right)' }{{\mathrm{e}}^x} + \dfrac{1 - x}{{1 + {x^2}}}{{\mathrm{e}}^x}\\
    &= \left[ {\dfrac{{{x^2} - 2x - 1}}{{{{\left(1 + {x^2}\right)}^2}}} + \dfrac{1 - x}{{1 + {x^2}}}} \right]{{\mathrm{e}}^x} \\&= \dfrac{{ - x\left[{{\left(x - 1\right)}^2} + 2\right]}}{{{{\left(1 + {x^2}\right)}^2}}}{{\mathrm{e}}^x}.\end{split}\]于是,当 $x < 0$ 时 $f'\left(x\right) > 0$;当 $x > 0$ 时,$f'\left(x\right) < 0$.
    所以,$f\left(x\right)$ 的单调递增区间为 $\left( - \infty ,0\right)$,单调递减区间为 $\left(0, + \infty \right)$.
  2. 证明:当 $f\left({x_1}\right) = f\left({x_2}\right)\left({x_1} \ne {x_2}\right)$ 时,${x_1} + {x_2} < 0$.
    标注
    答案
    略.
    解析
    可通过证明 $f(x_2)<f(-x_2)$ 得到 $f(x_1)<f(-x_2)$,从而 $x_1<-x_2$,继而完成证明.而 $f(x_2)<f(-x_2)$ 的证明可通过移项构造函数完成.当 $x < 1$ 时,由于 $\dfrac{1 - x}{{1 + {x^2}}} > 0,{{\mathrm{e}}^x} > 0$,故 $f\left(x\right) > 0$;
    同理,当 $x > 1$ 时,$f\left(x\right) < 0$.
    当 $f\left({x_1}\right) = f\left({x_2}\right)\left({x_1} \ne {x_2}\right)$ 时,不妨设 ${x_1} < {x_2}$,由(1)知,\[{x_1} \in \left( - \infty ,0\right),{x_2} \in \left(0,1\right).\]下面证明:
    $\forall x \in \left(0,1\right),f\left(x\right) < f\left( - x\right)$,即证\[\dfrac{1 - x}{{1 + {x^2}}}{{\mathrm{e}}^x} < \dfrac{1 + x}{{1 + {x^2}}}{{\mathrm{e}}^{ - x}}.\]此不等式等价于\[\left(1 - x\right){{\mathrm{e}}^x} - \dfrac{1 + x}{{{{\mathrm{e}}^x}}} < 0.\]令 $g\left(x\right) = \left(1 - x\right){{\mathrm{e}}^x} - \dfrac{1 + x}{{{{\mathrm{e}}^x}}}$,则\[g'\left(x\right) = - x{{\mathrm{e}}^{ - x}}\left({{\mathrm{e}}^{2x}} - 1\right).\]当 $x \in \left(0,1\right)$ 时,$g'\left(x\right) < 0$,$g\left(x\right)$ 单调递减,从而\[g\left(x\right) < g\left(0\right) = 0,\]即\[\left(1 - x\right){{\mathrm{e}}^x} - \dfrac{1 + x}{{{{\mathrm{e}}^x}}} < 0.\]所以 $\forall x \in \left(0,1\right)$,\[f\left(x\right) < f\left( - x\right),\]而 ${x_2} \in \left(0,1\right)$,所以\[f\left({x_2}\right) < f\left( - {x_2}\right),\]从而\[f\left({x_1}\right) < f\left( - {x_2}\right).\]由于 ${x_1},- {x_2} \in \left( - \infty ,0\right)$,$f\left(x\right)$ 在 $\left( - \infty ,0\right)$ 上单调递增,
    所以 ${x_1} < - {x_2}$,即\[{x_1} + {x_2} < 0.\]
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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