已知常数 $a > 0$,函数 $f\left( x \right) = \ln \left( {1 + ax} \right) - \dfrac{2x}{x + 2}$.
【难度】
【出处】
【标注】
  1. 讨论 $f\left( x \right)$ 在区间 $\left( {0, + \infty } \right)$ 上的单调性;
    标注
    答案
    当 $a \geqslant 1$ 时,$f\left(x\right)$ 在区间 $\left(0, + \infty \right) $ 上单调递增;
    当 $0< a <1$ 时,$f\left(x\right)$ 在区间 $\left(0, 2\sqrt {\dfrac{1 - a}{a}} \right) $ 上单调递减,在区间 $ \left(2\sqrt {\dfrac{1 - a}{a}} , + \infty \right) $ 上单调递增.
    解析
    本题考查利用导数研究含参函数的单调性问题,对于导函数为二次型的,一般从以下几个角度考虑:开口方向、有没有根、根在不在定义域内、两根的大小关系,入手分类.由题知\[\begin{split}f' \left(x\right) &= \dfrac{a}{1 + ax} - \dfrac{2\left(x + 2\right) - 2x}{{{{\left(x + 2\right)}^2}}}\\& = \dfrac{{a{x^2} + 4\left(a - 1\right)}}{{\left(1 + ax\right){{\left(x + 2\right)}^2}}}. \quad \cdots \cdots ① \end{split}\]当 $a \geqslant 1$ 时,$f'\left(x\right)\geqslant 0$,此时 $f\left(x\right)$ 在区间 $\left( {0, + \infty } \right)$ 上单调递增.
    当 $ 0<a<1 $ 时,由 $f'\left(x\right)=0$ 得\[x_1 = 2\sqrt {\dfrac{1 - a}{a}} \left(x_2 = - 2\sqrt {\dfrac{1 - a}{a}} 舍去\right).\]当 $x \in \left(0, x_1\right)$ 时,$f'\left(x\right) <0$;
    当 $x \in \left(x_1, + \infty \right)$ 时,$f'\left(x\right) >0$.
    故 $f\left(x\right)$ 在区间 $\left(0, x_1\right) $ 上单调递减,在区间 $ \left(x_1 , + \infty \right) $ 上单调递增.
    综上所述,当 $a \geqslant 1$ 时,$f\left(x\right)$ 在区间 $\left(0, + \infty \right) $ 上单调递增;
    当 $0< a <1$ 时,$f\left(x\right)$ 在区间 $\left(0, 2\sqrt {\dfrac{1 - a}{a}} \right) $ 上单调递减,在区间 $ \left(2\sqrt {\dfrac{1 - a}{a}} , + \infty \right) $ 上单调递增.
  2. 若 $f\left( x \right)$ 存在两个极值点 ${x_1},{x_2}$,且 $f\left( {x_1} \right) + f\left( {x_2} \right) > 0$,求 $a$ 的取值范围.
    标注
    答案
    $ \left(\dfrac{1}{2} ,1\right)$
    解析
    将 $f(x_1)+f(x_2)$ 整理为关于 $a$ 的函数,再求其最小值为本题的关键.由第(1)问知,当 $a \geqslant 1$,$f'\left(x\right) \geqslant 0$,此时 $f\left(x\right)$ 不存在极值点,因而要使得 $f\left(x\right)$ 有两个极值点,必有 $0< a<1$.
    又 $f\left(x\right)$ 的极值点只可能是\[x_1 = 2\sqrt {\dfrac{1 - a}{a}} 和 x_2 = - 2\sqrt {\dfrac{1 - a}{a}} ,\]且由 $f\left(x\right)$ 的定义可知,$x > - \dfrac{1}{a}$ 且 $x \ne -2$,所以\[ -2\sqrt {\dfrac{1 - a}{a}} > - \dfrac{1}{a}, -2\sqrt {\dfrac{1 - a}{a}} \ne -2, \]解得 $a \ne \dfrac{1}{2}$.此时,由第(1)问易知,$x_1,x_2$ 分别是 $f\left(x\right)$ 的极小值点和极大值点,而\[ \begin{split}f\left(x_1\right) + f\left(x_2\right) & = \ln \left( 1 + ax_1 \right)- \dfrac{2x_1}{x_1 + 2} + \ln \left(1+ ax_2 \right)- \dfrac{2x_2}{x_2 + 2}
    \\&= \ln {\left( {2a - 1} \right)^2} + \dfrac{2}{2a - 1} - 2. \end{split}\]令 $2 a -1=x$,由 $0< a <1$ 且 $a \ne \dfrac{1}{2}$ 知,
    当 $0< a < \dfrac{1}{2}$ 时,$-1<x<0$;当 $\dfrac{1}{2} < a <1$ 时,$0<x<1$.
    记 $g \left(x\right)=\ln {x^2} + \dfrac{2}{x} -2$.
    (i)当 $ -1<x<0 $ 时,$g \left(x\right)=2\ln\left(-x\right)+ \dfrac{2}{x} -2<0$,故当 $0< a < \dfrac{1}{2}$ 时,$f\left(x_1\right) + f\left(x_2\right) <0$;
    (ii)当 $ 0<x<1 $ 时,$g \left(x\right)=2\ln x+ \dfrac{2}{x} -2$,所以\[g' \left(x\right)= \dfrac{2}{x} - \dfrac{2}{x^2} = \dfrac{2x - 2}{x^2} <0,\]因此,$g \left(x\right)$ 在区间 $\left(0,1\right)$ 上单调递减,从而\[g \left(x\right)> g \left(1\right)=0.\]故当 $\dfrac{1}{2} < a <1$ 时,$f\left(x_1\right) + f\left(x_2\right) >0$.
    综上所述.满足条件的 $ a $ 的取值范围为 $ \left(\dfrac{1}{2} ,1\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
0.108305s