已知函数 $f\left(x\right) = {{\mathrm{e}}^x}$,$x \in {\mathbb{R}}$.
【难度】
【出处】
2013年高考陕西卷(文)
【标注】
  1. 求 $f\left(x\right)$ 的反函数的图象上点 $\left(1,0\right)$ 处的切线方程;
    标注
    答案
    $y = x - 1$.
    解析
    本题考查利用导数求曲线的切线方程.切点处的导数值即为切线的斜率.$f\left(x\right)$ 的反函数为\[g\left(x\right) = \ln x,\]设所求切线的斜率为 $k$.
    因为 $g'\left(x\right) = \dfrac{1}{x}$,所以\[k = g'\left(1\right) = 1,\]于是在点 $\left(1,0\right)$ 处的切线方程为 $y = x - 1$.
  2. 证明:曲线 $y = f\left(x\right)$ 与曲线 $y = \dfrac{1}{2}{x^2} + x + 1$ 有唯一公共点;
    标注
    答案
    唯一公共点为 $\left(0,1\right)$,证法略.
    解析
    证法一:
    曲线 $y = {{\mathrm{e}}^x}$ 与曲线 $y = \dfrac{1}{2}{x^2} + x + 1$ 公共点的个数等于函数\[\varphi \left(x\right) = {{\mathrm{e}}^x} - \dfrac{1}{2}{x^2} - x - 1\]零点的个数.
    $ \because $ $\varphi \left(0\right) = 1 - 1 = 0$,$ \therefore $ $\varphi \left(x\right)$ 存在零点 $x = 0$.又\[\varphi '\left(x\right) = {{\mathrm{e}}^x} - x - 1,\]令 $h\left(x\right) = \varphi '\left(x\right) = {{ \mathrm e }^x} - x - 1$,则\[h'\left(x\right) = {{\mathrm e }^x} - 1.\]当 $x < 0$ 时,$h'\left(x\right) < 0$,$ \therefore $ $\varphi '\left(x\right)$ 在 $\left( - \infty ,0\right)$ 上单调递减;
    当 $x > 0$ 时,$h'\left(x\right) > 0$,$ \therefore $ $\varphi '\left(x\right)$ 在 $\left(0, + \infty \right)$ 上单调递增,
    $ \therefore $ $\varphi '\left(x\right)$ 在 $x = 0$ 处有唯一的极小值\[\varphi '\left(0\right) = 0,\]即 $\varphi '\left(x\right)$ 在 ${\mathbb{R}}$ 上的最小值为 $\varphi '\left(0\right) = 0$.
    $\therefore$ $\varphi '\left(x\right) \geqslant 0$(当且仅当 $x = 0$ 时等号成立),
    $\therefore$ $\varphi \left(x\right)$ 在 ${\mathbb{R}}$ 上是单调递增的,
    $\therefore$ $\varphi \left(x\right)$ 在 ${\mathbb{R}}$ 上有唯一的零点,
    故曲线 $y = f\left(x\right)$ 与曲线 $y = \dfrac{1}{2}{x^2} + x + 1$ 有唯一的公共点.
    证法二:
    $\because$ ${{\mathrm{e}}^x} > 0$,$\dfrac{1}{2}{x^2} + x + 1 > 0$,
    $\therefore$ 曲线 $y = {{\mathrm{e}}^x}$ 与曲线 $y = \dfrac{1}{2}{x^2} + x + 1$ 公共点的个数等于曲线\[y = \dfrac{{\dfrac{1}{2}{x^2} + x + 1}}{{{{\mathrm{e}}^x}}}\]与 $y = 1$ 公共点的个数.
    设\[\varphi \left(x\right) = \dfrac{{\dfrac{1}{2}{x^2} + x + 1}}{{{{\mathrm{e}}^x}}},\]则 $\varphi \left(0\right) = 1$,即当 $x = 0$ 时,两曲线有公共点.又\[\begin{split}\varphi '\left(x\right) &= \dfrac{{\left(x + 1\right){{\mathrm{e}}^x} - \left( {\dfrac{1}{2}{x^2} + x + 1} \right){{\mathrm{e}}^x}}}{{{{\mathrm{e}}^{2x}}}} \\&= \dfrac{{ - \dfrac{1}{2}{x^2}}}{{{{\mathrm{e}}^x}}} \\& \leqslant 0\end{split}\](当且仅当 $x = 0$ 时等号成立),
    $\therefore$ $\varphi \left(x\right)$ 在 ${\mathbb{R}}$ 上单调递减,
    $\therefore$ $\varphi \left(x\right)$ 与 $y = 1$ 有唯一的公共点,
    故曲线 $y = f\left(x\right)$ 与曲线 $y = \dfrac{1}{2}{x^2} + x + 1$ 有唯一的公共点.
  3. 设 $a < b$,比较 $f\left( {\dfrac{a + b}{2}} \right)$ 与 $\dfrac{f\left(b\right) - f\left(a\right)}{b - a}$ 的大小,并说明理由.
    标注
    答案
    $\dfrac{f\left(b\right) - f\left(a\right)}{b - a} > f\left( {\dfrac{a + b}{2}} \right)$.
    解析
    函数 $f(x)$ 与函数 $g(x)$ 有唯一公共点等价于构造新函数 $h(x)=f(x)-g(x)$ 有唯一零点.可用比较法证明两者的大小关系.\[\begin{split}\dfrac{f\left(b\right) - f\left(a\right)}{b - a} - f\left( {\dfrac{a + b}{2}} \right) &= \dfrac{{{{\mathrm{e}}^b} - {{\mathrm{e}}^a}}}{b - a} - {{\mathrm{e}}^{\frac{a + b}{2}}} \\&= \dfrac{{{{\mathrm{e}}^b} - {{\mathrm{e}}^a} - b{{\mathrm{e}}^{\frac{a + b}{2}}} + a{{\mathrm{e}}^{\frac{a + b}{2}}}}}{b - a}\\ &= \dfrac{{{{\mathrm{e}}^{\frac{a + b}{2}}}}}{b - a}\left[ {{{\mathrm{e}}^{\frac{b-a}{2}}} - {{\mathrm{e}}^{\frac{a - b}{2}}} - \left(b - a\right)} \right].\end{split}\]设函数 $u\left(x\right) = {{\mathrm{e}}^x} - \dfrac{1}{{{{\mathrm{e}}^x}}} - 2x\left(x \geqslant 0\right)$,则\[\begin{split}u'\left(x\right) &= {{\mathrm{e}}^x} + \dfrac{1}{{{{\mathrm{e}}^x}}} - 2 \\& \overset{\left[a\right]}\geqslant 2\sqrt {{{\mathrm{e}}^x} \cdot \dfrac{1}{{{{\mathrm{e}}^x}}}} - 2 \\&= 0,\end{split}\](推导中用到:[a])
    所以 $u'\left(x\right) \geqslant 0$(当且仅当 $x = 0$ 时等号成立),所以 $u\left(x\right)$ 单调递增.
    当 $x > 0$ 时,$u\left(x\right) > u\left(0\right) = 0$.令 $x = \dfrac{b - a}{2}$,则得\[{{\mathrm{e}}^{\frac{b - a}{2}}} - {{\mathrm{e}}^{\frac{a - b}{2}}} - \left(b - a\right) > 0.\]又 $\dfrac{{{{\mathrm{e}}^{\frac{a + b}{2}}}}}{b - a} > 0$,所以\[\dfrac{f\left(b\right) - f\left(a\right)}{b - a} > f\left( {\dfrac{a + b}{2}} \right).\]
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 问题3 答案3 解析3 备注3
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