设函数 $f\left(x\right)=\ln \left(x+1\right)+a\left(x^2-x\right)$,其中 $a\in\mathbb R$.
【难度】
【出处】
无
【标注】
-
讨论函数 $f\left(x\right)$ 极值点的个数,并说明理由;标注答案当 $a<0$ 时,函数 $f\left(x\right)$ 有一个极值点;
当 $0\leqslant a\leqslant \dfrac 89$ 时,函数 $f\left(x\right)$ 无极值点;
当 $a>\dfrac 89$ 时,函数 $f\left(x\right)$ 有两个极值点.解析此题属于利用导数研究函数的极值问题.在研究含参函数的极值时,难点是讨论函数的单调性.由题意知,函数 $f\left(x\right)$ 的定义域为 $\left(-1,+\infty\right)$,求导得\[f'\left(x\right)=\dfrac {1}{x+1}+a\left(2x-1\right)=\dfrac {2ax^2+ax-a+1}{x+1} .\]令\[g\left(x\right)=2ax^2+ax-a+1,x\in \left(-1,+\infty\right) .\]① 当 $a=0$ 时,$g\left(x\right)=1$,此时 $f'\left(x\right)>0$,函数 $f\left(x\right)$ 在 $\left(-1,+\infty\right)$ 上单调递增,无极值点;
② 当 $a>0$ 时,\[\Delta =a^2-8a\left(1-a\right)=a\left(9a-8\right) .\]a.当 $0<a\leqslant \dfrac 89$ 时,$\Delta\leqslant 0$,$g\left(x\right)\geqslant 0$,$f'\left(x\right)\geqslant 0$,函数 $f\left(x\right)$ 在 $\left(-1,+\infty\right)$ 上单调递增,无极值点;
b.当 $a>\dfrac 89$ 时,$\Delta >0$,设方程 $2ax^2+ax-a+1=0$ 的两根为 $x_1,x_2 \left(x_1<x_2\right)$,
因为\[x_1+x_2=-\dfrac 12 ,\]所以\[x_1<-\dfrac 14 , x_2>-\dfrac 14 .\]由 $g\left(-1\right)=1>0$,可得\[-1<x_1<-\dfrac 14 .\]所以当 $x\in \left(-1,x_1\right)$ 时,$g\left(x\right)>0$,$f'\left(x\right)>0$,函数 $f\left(x\right)$ 单调递增;
当 $x\in \left(x_1,x_2\right)$ 时,$g\left(x\right)<0$,$f'\left(x\right)<0$,函数 $f\left(x\right)$ 单调递减;
当 $x\in \left(x_2,+\infty\right)$ 时,$g\left(x\right)>0$,$f'\left(x\right)>0$,函数 $f\left(x\right)$ 单调递增;
因此,函数有两个极值点.
c.当 $a<0$ 时,$\Delta >0$,
由 $g\left(-1\right)=1>0$,可得\[x_1<-1 .\]当 $x\in \left(-1,x_2\right)$ 时,$g\left(x\right)>0$,$f'\left(x\right)>0$,函数 $f\left(x\right)$ 单调递增;
当 $x\in \left(x_2,+\infty\right)$ 时,$g\left(x\right)<0$,$f'\left(x\right)<0$,函数 $f\left(x\right)$ 单调递减;
所以函数有一个极值点.
综上所述,当 $a<0$ 时,函数 $f\left(x\right)$ 有一个极值点;
当 $0\leqslant a\leqslant \dfrac 89$ 时,函数 $f\left(x\right)$ 无极值点;
当 $a>\dfrac 89$ 时,函数 $f\left(x\right)$ 有两个极值点. -
若 $\forall x>0$,$f\left(x\right)\geqslant 0$ 成立,求 $a$ 的取值范围.标注答案$a$ 的取值范围是 $\left[0,1\right]$.解析此不等式恒成立问题可以转化为函数最(小)值满足不等式即可,故利用函数单调性求解这个函数最小值使其满足条件.由题意可得,对于任意 $x>0$,都有 $f\left(x\right)\geqslant 0$ 恒成立.由(1)知,
① 当 $0\leqslant a\leqslant \dfrac 89$ 时,函数 $f\left(x\right)$ 在 $\left(0,+\infty\right)$ 上单调递增,因为 $f\left(0\right)=0$,所以 $x\in \left(0,+\infty\right)$ 时,\[f\left(x\right)\overset{\left[a\right]}>0,\](推导中用到:[a])
符合题意.
② 当 $\dfrac 89<a\leqslant 1$ 时,由 $g\left(0\right)\geqslant 0$,得 $x_2\leqslant 0$,所以函数 $f\left(x\right)$ 在 $\left(0,+\infty\right)$ 上单调递增.又\[f\left(0\right)=0 ,\]所以 $x\in \left(0,+\infty\right)$ 时,$f\left(x\right)>0$,符合题意.
③ 当 $a>1$ 时,由 $g\left(0\right)<0$,可得 $x_2>0$.所以 $x\in \left(0,x_2\right)$ 时,函数 $f\left(x\right)$ 单调递减.
因为 $f\left(0\right)=0$,所以 $x\in \left(0,x_2\right)$ 时,\[f\left(x\right)<0 ,\]不合题意.
④ 当 $a<0$ 时,设 $h\left(x\right)=x-\ln \left(x+1\right)$.因为 $x\in \left(0,+\infty\right)$ 时,\[h'\left(x\right)=1-\dfrac {1}{x+1}=\dfrac {x}{x+1}>0 ,\]所以 $h\left(x\right)$ 在 $\left(0,+\infty\right)$ 上单调递增.
因此,当 $x\in \left(0,+\infty\right)$ 时,\[h\left(x\right)>h\left(0\right)=0 ,\]即\[\ln \left(x+1\right)<x.\]可得\[f\left(x\right)<x+a\left(x^2-x\right)=ax^2+\left(1-a\right)x ,\]当 $x>1-\dfrac 1a$ 时,$ax^2+\left(1-a\right)x<0$,此时 $f\left(x\right)<0$,不符合题意.
综上所述,$a$ 的取值范围是 $\left[0,1\right]$.
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