已知函数 $f(x)=a{\rm e}^{2x}+(a-2){\rm e}^{x}-x$.
【难度】
【出处】
【标注】
  • 知识点
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    微积分初步
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    利用导数研究函数的性质
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    利用导数研究函数的单调性
  • 知识点
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    微积分初步
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    利用导数研究函数的性质
    >
    利用导数研究函数的零点
  • 方法
    >
    代数处理
    >
    分离变量法
  1. 讨论 $f(x)$ 的单调性;
    标注
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      微积分初步
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      利用导数研究函数的性质
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      利用导数研究函数的单调性
    答案
    当 $a\leqslant 0$ 时,$f(x)$ 在 $\mathbb R$ 上单调递减;
    当 $a>0$ 时,$f(x)$ 在 $\left(-\infty,\ln\dfrac{1}{a}\right)$ 上单调递减,在 $\left(\ln\dfrac{1}{a},+\infty\right)$ 上单调递增
    解析
    函数 $f(x)$ 的导函数为\[f'(x)=2a{\rm e}^{2x}+(a-2){\rm e}^{x}-1=(a{\rm e}^{x}-1)(2{\rm e}^{x}+1).\]当 $a\leqslant 0$ 时,$f'(x)<0$;
    当 $a>0$ 时,在区间 $\left(-\infty,\ln\dfrac{1}{a}\right)$ 上有 $f'(x)<0$,在区间 $\left(\ln\dfrac{1}{a},+\infty\right)$ 上有 $f'(x)>0$.
    综上,当 $a\leqslant 0$ 时,$f(x)$ 在 $\mathbb R$ 上单调递减;
    当 $a>0$ 时,$f(x)$ 在 $\left(-\infty,\ln\dfrac{1}{a}\right)$ 上单调递减,在 $\left(\ln\dfrac{1}{a},+\infty\right)$ 上单调递增.
  2. 若 $f(x)$ 有两个零点,求 $a$ 的取值范围.
    标注
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      利用导数研究函数的零点
    • 方法
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      代数处理
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      分离变量法
    答案
    $(0,1)$
    解析
    令 $f(x)=0$,即 $a{\rm e}^{2x}+(a-2){\rm e}^{x}-x=0$,所以有\[a=\dfrac{2{\rm e}^{x}+x}{{\rm e}^{2x}+{\rm e}^{x}}.\]于是函数 $f(x)$ 有两个零点,即 $y=a$ 与 $g(x)=\dfrac{2{\rm e}^{x}+x}{{\rm e}^{2x}+{\rm e}^{x}}$ 的图象有两个公共点.
    函数 $g(x)$ 的导函数为$$g'(x)=-\dfrac{(2{\rm e}^{x}+1)({\rm e}^{x}+x-1)}{{\rm e}^{x}({\rm e}^{x}+1)^{2}},$$当 $x<0$ 时,$g'(x)>0$;当 $x>0$ 时,$g'(x)<0$ 时,所以 $g(x)$ 在 $(-\infty,0)$ 上单调递增,在 $(0,+\infty)$ 上单调递减,且 $g(x)$ 在 $x=0$ 处取得最大值 $g(0)=1$,结合\[\lim\limits_{x\to -\infty}g(x)=-\infty,\lim\limits_{x\to +\infty}g(x)=0,\]函数 $g(x)$ 的图象如图.情形一当 $a\geqslant 1$ 时,$y=a$ 与 $g(x)$ 至多有一个公共点,不符合题意;
    情形二当 $a\leqslant 0$ 时,由于当 $x\geqslant 0$ 时,$g(x)>0$,而当 $x<0$ 时,$g(x)$ 单调递增,所以 $y=a$ 与 $g(x)$ 至多有一个公共点,不符合题意;
    情形三当 $0<a<1$ 时,一方面,由于\[g(-2)<0<a,g(0)=1>a,\]且 $g(x)$ 在 $(-2,0)$ 上单调递增,所以 $y=a$ 与 $g(x)$ 在 $(-2,0)$ 上有且仅有一个公共点.
    另一方面,取 $x_{0}=\ln \dfrac{3}{a}$,\[g(x_{0})=\dfrac{2{\rm e}^{x_{0}}+x_{0}}{{\rm e}^{2x_{0}}+{\rm e}^{x_{0}}}<\dfrac{3{\rm e}^{x_{0}}}{{\rm e}^{2x_{0}}}=\dfrac{3}{{\rm e}^{x_{0}}}=a,\]所以在 $\left(0,\ln \dfrac{3}{a}\right)$ 上,有\[g(0)>a, g\left(\ln \dfrac{3}{a}\right)<a.\]且 $g(x)$ 在区间 $\left(0,\ln \dfrac{3}{a}\right)$ 上单调递减,于是 $y=a$ 与 $g(x)$ 在区间 $\left(0,\ln \dfrac{3}{a}\right)$ 上有且仅有一个交点.
    综上,当 $0<a<1$ 时,函数 $f(x)$ 有两个零点.
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
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