已知函数 $f\left(x\right)=nx-x^n$,$x\in \mathbb R$,其中 $n\in \mathbb N^*$,且 $n\geqslant 2$.
【难度】
【出处】
无
【标注】
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讨论 $f\left(x\right)$ 的单调性;标注答案① 当 $n$ 为奇数时,$f\left(x\right)$ 在 $\left(-\infty,-1\right)$,$\left(1,+\infty\right)$ 上单调递减,在 $\left(-1,1\right)$ 内单调递增;
② 当 $n$ 为偶数时,$f\left(x\right)$ 在 $\left(-\infty,1\right)$ 上单调递增,在 $\left(1,+\infty\right)$ 上单调递减解析本小题考查利用导数研究函数的单调性.由 $f\left(x\right)=nx-x^n$,可得 $f'\left(x\right)=n-nx^{n-1}=n\left(1-x^{n-1}\right)$,其中 $n\in \mathbb N^*$,且 $n\geqslant 2$.
下面分两种情况讨论:
① 当 $n$ 为奇数时,令 $f'\left(x\right)=0$,解得 $x=1$ 或 $x=-1$.
当 $x$ 变化时,$f'\left(x\right)$,$f\left(x\right)$ 的变化情况如下表:\[\begin{array}{|c|c|c|c|}\hline
x&\left(-\infty,-1\right)&\left(-1,1\right)&\left(1,+\infty\right) \\ \hline
f'\left(x\right)&-&+&- \\ \hline
f\left(x\right) &\searrow &\nearrow &\searrow \\ \hline
\end{array}\]所以,$f\left(x\right)$ 在 $\left(-\infty,-1\right)$,$\left(1,+\infty\right)$ 上单调递减,在 $\left(-1,1\right)$ 内单调递增.
② 当 $n$ 为偶数时,当 $f'\left(x\right)>0$,即 $x<1$ 时,函数 $f\left(x\right)$ 单调递增;
当 $f'\left(x\right)<0$,即 $x>1$ 时,函数 $f\left(x\right)$ 单调递减.
所以,$f\left(x\right)$ 在 $\left(-\infty,1\right)$ 上单调递增,在 $\left(1,+\infty\right)$ 上单调递减. -
设曲线 $y=f\left(x\right)$ 与 $x$ 轴正半轴的交点为 $P$,曲线在点 $P$ 处的切线方程为 $y=g\left(x\right)$,求证:对于任意的正实数 $x$,都有 $f\left(x\right)\leqslant g\left(x\right)$;标注答案略解析本小题考查利用导数求曲线的切线方程,以及简单的函数不等式的证明,其中构造函数是关键.设点 $P$ 的坐标为 $\left(x_0,0\right)$,则 $x_0=n^{\frac {1}{n-1}}$,$f'\left(x_0\right)=n-n^2$.
曲线 $y=f\left(x\right)$ 在点 $P$ 处的切线方程为 $y=f'\left(x_0\right)\left(x-x_0\right)$,即\[g\left(x\right)=f'\left(x_0\right)\left(x-x_0\right).\]令 $F\left(x\right)=f\left(x\right)-g\left(x\right)$,即 $F\left(x\right)=f\left(x\right)-f'\left(x_0\right)\left(x-x_0\right)$,则 $F'\left(x\right)=f'\left(x\right)-f'\left(x_0\right)$.
由于 $f'\left(x\right)=-nx^{n-1}+n$ 在 $\left(0,+\infty\right)$ 上单调递减,故 $F'\left(x\right)$ 在 $\left(0,+\infty\right)$ 上单调递减.
又因为 $F'\left(x_0\right)=0$,
所以当 $x\in \left(0,x_0\right)$ 时,$F'\left(x\right)>0$,当 $x\in\left(x_0,+\infty\right)$ 时,$F'\left(x\right)<0$,
所以 $F\left(x\right)$ 在 $\left(0,x_0\right)$ 上单调递增,在 $\left(x_0,+\infty\right)$ 上单调递减,
所以对于任意的正实数 $x$,都有 $F\left(x\right)\leqslant F\left(x_0\right)=0$,即对于任意的正实数 $x$,都有 $f\left(x\right)\leqslant g\left(x\right)$. -
若关于 $x$ 的方程 $f\left(x\right)=a$($a$ 为实数)有两个正实数根 $x_1$,$x_2$,求证:$ \left|x_2-x_1 \right|<\dfrac {a}{1-n}+2$.标注答案略解析本小题的证明指出了“以直代曲”的关键思路,只需要再求出函数 $f\left(x\right)$ 在原点处的切线进行“两边夹”即可.不妨设 $x_1\leqslant x_2$.
由(2)知\[g\left(x\right)=\left(n-n^2\right)\left(x-x_0\right).\]设方程 $g\left(x\right)=a$ 的根为 $x_2'$,可得 $x_2'=\dfrac {a}{n-n^2}+x_0$,
当 $n\geqslant 2$ 时,$g\left(x\right)$ 在 $\left(-\infty,+\infty\right)$ 上单调递减,
又由(2)知\[g\left(x_2\right)\geqslant f\left(x_2\right)=a=g\left(x_2'\right),\]可得 $x_2\leqslant x_2'$.
类似地,设曲线 $y=f\left(x\right)$ 在原点处的切线方程为 $y=h\left(x\right)$,可得 $h\left(x\right)=nx$.
当 $x\in \left(0,+\infty\right)$ 时,$f\left(x\right)-h\left(x\right)=-x^n<0$,即对于任意的 $x\in \left(0,+\infty\right)$,$f\left(x\right)<h\left(x\right)$,
设方程 $h\left(x\right)=a$ 的根为 $x_1'$,可得 $x_1'=\dfrac an$.
因为 $h\left(x\right)=nx$ 在 $\left(-\infty,+\infty\right)$ 上单调递增,且\[h\left(x_1'\right)=a=f\left(x_1\right)<h\left(x_1\right),\]因此 $x_1'<x_1$.
由此可得 $x_2-x_1<x_2'-x_1'=\dfrac {a}{1-n}+x_0$.
因为 $n\geqslant 2$,所以\[\begin{split}2^{n-1}&=\left(1+1\right)^{n-1}\\&\overset{\left[a\right]}\geqslant 1+{\mathrm C}_{n-1}^1\\&=1+n-1\\&=n,\end{split}\](推导中用到[a])
故 $2\geqslant n^{\frac {1}{n-1}}=x_0$.
则当 $x_1\leqslant x_2$ 时,$ \left|x_2-x_1 \right|=x_2-x_1<\dfrac {a}{1-n}+2$.
同理可证当 $x_1> x_2$ 时,结论也成立.
综上,$ \left|x_2-x_1 \right|<\dfrac {a}{1-n}+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
问题3
答案3
解析3
备注3