已知函数 $f\left(x\right) = a{x^2} + bx - \ln x\left(a,b \in {\mathbb{R}}\right)$.
【难度】
【出处】
2013年高考山东卷(文)
【标注】
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设 $a \geqslant 0$,求 $f\left(x\right)$ 的单调区间;标注答案当 $a = 0,b \leqslant 0$ 时,函数 $f\left(x\right)$ 的单调递减区间是 $\left(0, + \infty \right)$;
当 $a = 0,b > 0$ 时,函数 $f\left(x\right)$ 的单调递减区间是 $\left( {0,\dfrac{1}{b}} \right)$,单调递增区间是 $\left( {\dfrac{1}{b}, + \infty } \right)$;
当 $a > 0$ 时,函数 $f\left(x\right)$ 的单调递减区间是 $\left( {0,\dfrac{{ - b + \sqrt {{b^2} + 8a} }}{4a}} \right)$,单调递增区间是 $\left( {\dfrac{{ - b + \sqrt {{b^2} + 8a} }}{4a}, + \infty } \right)$.解析本小问考查了利用导数研究函数的单调性.核心函数是个二次函数,且有两个参数,一般都是先对最高次项系数进行分类讨论,然后每一类中再对 $b$ 进行分类讨论.由 $f\left(x\right) = a{x^2} + bx - \ln x,x \in \left(0, + \infty \right)$,得\[f'\left(x\right) = \dfrac{{2a{x^2} + bx - 1}}{x}.\](ⅰ)当 $a = 0$ 时,\[f'\left(x\right) = \dfrac{bx - 1}{x}.\]① 若 $b \leqslant 0$,当 $x > 0$ 时,$f'\left(x\right) < 0$ 恒成立,所以函数 $f\left(x\right)$ 的单调递减区间是 $\left(0, + \infty \right)$.
② 若 $b > 0$,当 $0 < x < \dfrac{1}{b}$ 时,$f'\left(x\right) < 0$,函数 $f\left(x\right)$ 单调递减,当 $x > \dfrac{1}{b}$ 时,$f'\left(x\right) > 0$,函数 $f\left(x\right)$ 单调递增,所以函数 $f\left(x\right)$ 的单调递减区间是 $\left( {0,\dfrac{1}{b}} \right)$,单调递增区间是 $\left( {\dfrac{1}{b}, + \infty } \right)$.
(ⅱ)当 $a > 0$ 时,令 $f'\left(x\right) = 0$,得\[2a{x^2} + bx - 1 = 0.\]由 $\Delta = {b^2} + 8a > 0$,得\[{x_1} = \dfrac{{ - b - \sqrt {{b^2} + 8a} }}{4a} , {x_2} = \dfrac{{ - b + \sqrt {{b^2} + 8a} }}{4a}. \]因为 ${x_1} < 0,{x_2} > 0$.故 $0 < x < {x_2}$ 时,$f'\left(x\right) < 0$,函数 $f\left(x\right)$ 单调递减;当 $x > {x_2}$ 时,$f'\left(x\right) > 0$,函数 $f\left(x\right)$ 单调递增.
所以函数 $f\left(x\right)$ 的单调递减区间是 $\left({0,\dfrac{{ - b + \sqrt {{b^2} + 8a} }}{4a}} \right)$,单调递增区间是 $\left( {\dfrac{{ - b + \sqrt {{b^2} + 8a} }}{4a}, + \infty } \right)$.
综上所述,当 $a = 0,b \leqslant 0$ 时,函数 $f\left(x\right)$ 的单调递减区间是 $\left(0, + \infty \right)$;
当 $a = 0,b > 0$ 时,函数 $f\left(x\right)$ 的单调递减区间是 $\left( {0,\dfrac{1}{b}} \right)$,单调递增区间是 $\left( {\dfrac{1}{b}, + \infty } \right)$;
当 $a > 0$ 时,函数 $f\left(x\right)$ 的单调递减区间是 $\left( {0,\dfrac{{ - b + \sqrt {{b^2} + 8a} }}{4a}} \right)$,单调递增区间是 $\left( {\dfrac{{ - b + \sqrt {{b^2} + 8a} }}{4a}, + \infty } \right)$. -
设 $a > 0$,且对任意 $x > 0$,$f\left(x\right) \geqslant f\left(1\right)$,试比较 $\ln a$ 与 $ - 2b$ 的大小.标注答案$\ln a < - 2b$.解析此问的关键条件是“对任意 $x > 0$,$f\left(x\right) \geqslant f\left(1\right)$”故可以分析出 $f(1)$ 是最小值也是极小值.由此可以得到 $a$,$b$ 的关系,进而构造新函数,研究新函数与 $0$ 的大小关系.由题意知函数 $f\left(x\right)$ 在 $x = 1$ 处取得最小值.
由(1)知 $\dfrac{{ - b + \sqrt {{b^2} + 8a} }}{4a}$ 是 $f\left(x\right)$ 的唯一极小值点,故\[\dfrac{{ - b + \sqrt {{b^2} + 8a} }}{4a} = 1,\]整理,得\[2a + b = 1,\]即\[b = 1 - 2a.\]比较 $\ln a$ 与 $-2b$ 的大小,作差得 $\ln a -4a+2$,令 $g\left(x\right) = 2 - 4x + \ln x$,则\[g'\left(x\right) = \dfrac{1 - 4x}{x}.\]令 $g'\left(x\right) = 0$,得\[x = \dfrac{1}{4},\]当 $0 < x < \dfrac{1}{4}$ 时,$g'\left(x\right) > 0$,$g\left(x\right)$ 单调递增;当 $x > \dfrac{1}{4}$ 时,$g'\left(x\right) < 0$,$g\left(x\right)$ 单调递减.因此函数 $g\left(x\right)$ 在 $x=\dfrac{1}{4}$ 处取得函数的最大值.故\[\begin{split}g\left(x\right) & \leqslant g\left( {\dfrac{1}{4}} \right) = 1 + \ln \dfrac{1}{4} = 1 - \ln 4 < 0,\end{split}\]于是\[g\left(a\right) < 0,\]所以\[2 - 4a + \ln a = 2b + \ln a < 0,\]即\[\ln a < - 2b.\]
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