设函数 $f\left(x\right)=\dfrac{x^2}{2}-k\ln x$,$k>0$.
【难度】
【出处】
无
【标注】
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求 $f\left(x\right)$ 的单调区间和极值;标注答案$f\left(x\right)$ 的单调递减区间是 $\left(0,\sqrt k\right)$,单调递增区间是 $\left(\sqrt k,+\infty \right)$.
$f\left(x\right)$ 在 $x=\sqrt k$ 处取得极小值 $f\left(\sqrt k\right)=\dfrac{k\left(1-\ln k\right)}{2}$,无极大值.解析本题考查利用导数判断函数单调性与极值的相关问题.导函数的正负决定原函数的增减.函数 $f\left(x\right)=\dfrac{x^2}{2}-k\ln x$ 的定义域为 $\left(0,+\infty\right)$.
对 $f\left(x\right)$ 进行求导得\[f'\left(x\right)=x-\dfrac kx=\dfrac{x^2-k}{x}.\]由 $f'\left(x\right)=0$,解得 $x=\sqrt k$(负值舍去).
$f\left(x\right)$ 与 $f'\left(x\right)$ 在区间 $\left(0,+\infty\right)$ 上的情况如下:\[\begin{array}{|c|c|c|c|}\hline
x&\left(0,\sqrt k\right)&\sqrt k &\left(\sqrt k,+\infty\right)\\ \hline
f'\left(x\right)&-&0&+\\ \hline
f\left(x\right)&↘&\dfrac{k\left(1-\ln k\right)}{2}&↗\\ \hline
\end{array}\]所以 $f\left(x\right)$ 的单调递减区间是 $\left(0,\sqrt k\right)$,单调递增区间是 $\left(\sqrt k,+\infty \right)$.
$f\left(x\right)$ 在 $x=\sqrt k$ 处取得极小值 $f\left(\sqrt k\right)=\dfrac{k\left(1-\ln k\right)}{2}$,无极大值. -
证明:若 $f\left(x\right)$ 存在零点,则 $f\left(x\right)$ 在区间 $\left(1,\sqrt{\mathrm e}\right]$ 上仅有一个零点.标注答案略解析通过分析所给区间上函数单调性与最值,判断函数零点个数.由(1)知,$f\left(x\right)$ 在区间 $\left(0,+\infty\right)$ 上的最小值为 $f\left(\sqrt k\right)=\dfrac{k\left(1-\ln k\right)}{2}$.
因为 $f\left(x\right)$ 存在零点,所以 $\dfrac{k\left(1-\ln k\right)}{2}\leqslant 0$,从而 $k\geqslant{\mathrm e}$.
当 $k=\mathrm e$ 时,$f\left(x\right)$ 在区间 $\left(1,\sqrt{\mathrm e}\right)$ 上单调递减,且 $f\left(\sqrt{\mathrm e}\right)=0$,
所以 $x=\sqrt{\mathrm e}$ 是 $f\left(x\right)$ 在区间 $\left(1,\sqrt{\mathrm e}\right]$ 上的唯一零点.
当 $k>\mathrm e$ 时,$f\left(x\right)$ 在区间 $\left(1,\sqrt{\mathrm e}\right)$ 上单调递减,且 $f\left(1\right)=\dfrac12>0$,$f\left(\sqrt{\mathrm e}\right)=\dfrac{\mathrm e-k}{2}<0$.
所以 $f\left(x\right)$ 在区间 $\left(1,\sqrt{\mathrm e}\right]$ 上仅有一个零点.
综上可知,若 $f\left(x\right)$ 存在零点,则 $f\left(x\right)$ 在区间 $\left(1,\sqrt{\mathrm e}\right]$ 上仅有一个零点.
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