当实数 $a$ 为何值时,关于 $x$ 的方程 $ax=\ln x$ 无解、有一解、有两解?
【难度】
【出处】
2010年全国高中数学联赛福建省预赛
【标注】
【答案】
当 $a>\dfrac {1}{\mathrm e}$ 时,原方程无解;当 $a\leqslant 0$ 或 $a=\dfrac {1}{\mathrm e}$ 时,原方程有一解;当 $0<a<\dfrac {1}{\mathrm e}$ 时,原方程有两解
【解析】
当 $a \leqslant 0$ 时,在同一坐标系内作函数 $y=ax$ 与 $y=\ln x$ 的图象,易知两图象有且仅有 $1$ 个交点,所以当 $a \leqslant 0$ 时,方程有且仅有一解.
当 $a >0$ 时,设 $f(x)=ax-\ln x$,则$$f'(x)=a-\dfrac 1x=\dfrac {ax-1}{x} (x>0).$$因为当 $0<x <\dfrac 1a$ 时,$f'(x)<0$;
当 $x >\dfrac 1a$ 时,$f'(x)>0$,所以 $f(x)$ 在区间 $\left(0,\dfrac 1a\right]$ 上为减函数,区间 $\left[\dfrac 1a,+\infty \right) $ 上为增函数,所以 $f(x)$ 的最小值为$$f\left(\dfrac 1a\right)=1+\ln a.$$因此,
情形一 当 $1+\ln a>0$,即 $a>\dfrac {1}{\mathrm e}$ 时,$$f(x)\geqslant f\left(\dfrac 1a\right)=1+\ln a>0,$$方程 $f(x)=0$ 无解.
情形二 当 $1+\ln a=0$,即 $a=\dfrac {1}{\mathrm e}$ 时,方程 $f(x)=0$ 恰有一解.
情形三 当 $1+\ln a<0$,即 $0<a<\dfrac {1}{\mathrm e}$ 时,因为$$f(x)\to +\infty(x\to 0) , f(x)\to +\infty(x \to +\infty),$$且$$f\left(\dfrac 12\right)=1+\ln a<0,$$所以 $f(x)$ 在区间 $\left(0,\dfrac 1a\right)$ 与 $\left(\dfrac 1a,+\infty \right) $ 内各有一解,即 $f(x)=0$ 有两个不同的解.
综上知,当 $a>\dfrac {1}{\mathrm e}$ 时,原方程无解;当 $a\leqslant 0$ 或 $a=\dfrac {1}{\mathrm e}$ 时,原方程有一解;当 $0<a<\dfrac {1}{\mathrm e}$ 时,原方程有两解.
当 $a >0$ 时,设 $f(x)=ax-\ln x$,则$$f'(x)=a-\dfrac 1x=\dfrac {ax-1}{x} (x>0).$$因为当 $0<x <\dfrac 1a$ 时,$f'(x)<0$;
当 $x >\dfrac 1a$ 时,$f'(x)>0$,所以 $f(x)$ 在区间 $\left(0,\dfrac 1a\right]$ 上为减函数,区间 $\left[\dfrac 1a,+\infty \right) $ 上为增函数,所以 $f(x)$ 的最小值为$$f\left(\dfrac 1a\right)=1+\ln a.$$因此,
综上知,当 $a>\dfrac {1}{\mathrm e}$ 时,原方程无解;当 $a\leqslant 0$ 或 $a=\dfrac {1}{\mathrm e}$ 时,原方程有一解;当 $0<a<\dfrac {1}{\mathrm e}$ 时,原方程有两解.
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