已知函数 $f\left( x \right) = x - a{{\mathrm{e}}^x}\left( {a \in {\mathbb{R}}} \right)$,$x \in {\mathbb{R}}$,已知函数 $y = f\left( x \right)$ 有两个零点 ${x_1}$,${x_2}$,且 ${x_1} < {x_2}$.
【难度】
【出处】
【标注】
  1. 求 $a$ 的取值范围;
    标注
    答案
    $\left( {0,{{\mathrm{e}}^{ - 1}}} \right)$
    解析
    本题考查利用导函数研究函数的零点.由 $f\left(x\right)=x-a{\mathrm{e}}^x$,可得\[f'\left(x\right)=1-a{\mathrm{e}}^x,\]1)$a \leqslant 0$ 时,$f'\left( x \right) > 0$ 在 ${\mathbb{R}}$ 上恒成立,可得 $f\left( x \right)$ 在 ${\mathbb{R}}$ 上单调递增,不合题意.
    2)$a > 0$ 时,由 $f'\left( x \right) = 0$,得 $x = - \ln a$,当 $x$ 变化时,$f'\left( x \right),f\left( x \right)$ 的变化情况如下表:\[\begin{array}{|c|c|c|c|} \hline
    x&\left(-\infty,-\ln a\right)&-\ln a&\left(-\ln a,+\infty\right) \\ \hline
    f'\left(x\right)&+&0&- \\ \hline
    f\left(x\right)&↗&-\ln a-1&↘ \\ \hline
    \end{array}\]这时,$f\left( x \right)$ 的单调递增区间是 $\left( { - \infty , - \ln a} \right)$;单调递减区间是 $\left( { - \ln a, + \infty } \right)$.
    于是,“函数 $y = f\left( x \right)$ 有两个零点”等价于如下条件同时成立:
    (i)$ f\left( { - \ln a} \right) > 0$,
    (ii)存在 ${s_1} \in \left( { - \infty , - \ln a} \right)$,满足 $f\left( {s_1} \right) < 0$,
    (iii)存在 ${s_2} \in \left( { - \ln a, + \infty } \right)$,满足 $f\left( {s_2} \right) < 0$.
    由 $f\left( { - \ln a} \right) > 0$,即\[ - \ln a - 1 > 0,\]解得\[0 < a < {{\mathrm{e}}^{ - 1}},\]而此时,取 ${s_1} = 0$,满足 ${s_1} \in \left( { - \infty , - \ln a} \right)$,且\[f\left( {s_1} \right) = - a < 0,\]取 ${s_2} = \dfrac{2}{a} + \ln \dfrac{2}{a}$,满足 ${s_2} \in \left( { - \ln a, + \infty } \right)$,且\[f\left( {s_2} \right) = \left( {\dfrac{2}{a} - {{\mathrm{e}}^{\frac{2}{a}}}} \right) + \left( {\ln \dfrac{2}{a} - {{\mathrm{e}}^{\frac{2}{a}}}} \right) < 0,\]所以,$a$ 的取值范围是 $\left( {0,{{\mathrm{e}}^{ - 1}}} \right)$.
  2. 证明 $\dfrac{x_2}{x_1}$ 随着 $a$ 的减小而增大;
    标注
    答案
    解析
    本题在第 $(1)$ 小题的基础上稍加分析即得.由\[f\left( x \right) = x - a{{\mathrm{e}}^x} = 0,\]有\[a = \dfrac{x}{{{{\mathrm{e}}^x}}},\]设 $g\left( x \right) = \dfrac{x}{{{{\mathrm{e}}^x}}}$,由\[g'\left( x \right) = \dfrac{1 - x}{{{{\mathrm{e}}^x}}},\]知 $g\left( x \right)$ 在 $\left( { - \infty ,1} \right)$ 上单调递增,在 $\left( {1, + \infty } \right)$ 上单调递减.
    并且,当 $x \in \left( { - \infty ,0} \right]$ 时,$g\left( x \right) \leqslant 0$;
    当 $x \in \left( {0, + \infty } \right)$ 时,$g\left( x \right) > 0$.
    由已知,${x_1},{x_2}$ 满足\[a = g\left( {x_1} \right),a = g\left( {x_2} \right),\]由 $a \in \left( {0,{{\mathrm{e}}^{ - 1}}} \right)$,及 $g\left( x \right)$ 的单调性,可得零点的分布为\[{x_1} \in \left( {0,1} \right),{x_2} \in \left( {1, + \infty } \right).\]对于任意的 ${a_1} ,{a_2} \in \left( {0,{{\mathrm{e}}^{ - 1}}} \right)$,设\[{a_1} > {a_2},g\left( {\xi _1} \right) = g\left( {\xi _2} \right) = {a_1},\]其中\[0 < {\xi _1} < 1 < {\xi _2},g\left( {\eta _1} \right) = g\left( {\eta _2} \right) = {a_2},\]其中\[0 < {\eta _1} < 1 < {\eta _2},\]因为 $g\left( x \right)$ 在 $\left( {0,1} \right)$ 上单调递增,故由 ${a_1} > {a_2}$,即\[g\left( {\xi _1} \right) > g\left( {\eta _1} \right),\]可得\[{\xi _1} > {\eta _1},\]类似可得\[{\xi _2} < {\eta _2},\]又 ${\xi _1} , {\eta _1} > 0$,所以\[\dfrac{\xi _2}{\xi _1} < \dfrac{\eta _2}{\xi _1} < \dfrac{\eta _2}{\eta _1},\]所以,$\dfrac{x_2}{x_1}$ 随着 $a$ 的减小而增大.
  3. 证明 ${x_1} + {x_2}$ 随着 $a$ 的减小而增大.
    标注
    答案
    解析
    本题中 $x_1+x_2$ 无法用 $a$ 直接表示,因此需要根据第 $(2)$ 小题的提示,取 $t=\dfrac {x_2}{x_1}$ 作为中间变量构造函数研究其单调性.由\[{x_1} = a{{\mathrm{e}}^{x_1}},{x_2} = a{{\mathrm{e}}^{x_2}},\]及对数的运算可得\[\begin{split}\ln {x_1} &= \ln a + {x_1},\\ \ln {x_2} &= \ln a + {x_2},\end{split}\]故\[{x_2} - {x_1} = \ln {x_2} - \ln {x_1} = \ln \dfrac{x_2}{x_1},\]设 $\dfrac{x_2}{x_1} = t$,则 $t > 1$,且\[\begin{cases}{x_2} = t{x_1}, \\
    {x_2} - {x_1} = \ln t, \\
    \end{cases}\]解得\[{x_1} = \dfrac{\ln t}{t - 1},{x_2} = \dfrac{t\ln t}{t - 1},\]所以\[{x_1} + {x_2} = \dfrac{{\left( {t + 1} \right)\ln t}}{t - 1}, \quad \cdots \cdots ① \]令\[h\left( x \right) = \dfrac{{\left( {x + 1} \right)\ln x}}{x - 1},x \in \left( {1, + \infty } \right),\]则\[h'\left( x \right) = \dfrac{{ - 2\ln x + x - \dfrac{1}{x}}}{{{{\left( {x - 1} \right)}^2}}},\]令\[u\left( x \right) = - 2\ln x + x - \dfrac{1}{x},\]得\[u'\left( x \right) = {\left( {\dfrac{x - 1}{x}} \right)^2},\]当 $x \in \left( {1, + \infty } \right)$ 时,$u'\left( x \right) > 0$,因此,$u\left( x \right)$ 在 $\left( {1, + \infty } \right)$ 上单调递增,
    故对于任意的 $x \in \left( {1, + \infty } \right)$,$u\left( x \right) > u\left( 1 \right) = 0$,由此可得 $h'\left( x \right) > 0$,故 $h\left( x \right)$ 在 $\left( {1, + \infty } \right)$ 上单调递增.
    因此,由 $ ① $ 可得 ${x_1} + {x_2}$ 随着 $t$ 的增大而增大.
    而由(2),$t$ 随着 $a$ 的减小而增大,所以 ${x_1} + {x_2}$ 随着 $a$ 的减小而增大.
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
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