设函数 $f\left(x\right) = x - \dfrac{1}{x} - a\ln x\left(a \in {\mathbb{R}}\right)$.
【难度】
【出处】
2011年高考湖南卷(文)
【标注】
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讨论函数 $f\left(x\right)$ 的单调性.标注答案解析$f\left( x \right)$ 的定义域为 $\left( {0, + \infty } \right)$,\[f'\left(x\right) = 1 + \dfrac{1}{x^2} - \dfrac{a}{x} = \dfrac{{{x^2} - ax + 1}}{x^2}.\]令 $g\left(x\right) = {x^2} - ax + 1$,其判别式\[\Delta = {a^2} - 4.\]① 当 $|a| \leqslant 2$ 时,$\Delta \leqslant 0$,\[f'\left( x \right) \geqslant 0,\]故 $f\left( x \right)$ 在 $\left( {0, + \infty } \right)$ 上单调递增.
② 当 $a < - 2$ 时,$\Delta > 0$,$g\left( x \right) = 0$ 的两根都小于 $0$,在 $\left( {0, + \infty } \right)$ 上,\[f'\left( x \right) > 0,\]故 $f\left( x \right)$ 在 $\left( {0, + \infty } \right)$ 上单调递增.
③ 当 $a > 2$ 时,$\Delta > 0$,$g\left( x \right) = 0$ 的两根为\[\begin{split}{x_1} & = \dfrac{{a - \sqrt {{a^2} - 4} }}{2} , \\ {x_2} & = \dfrac{{a + \sqrt {{a^2} - 4} }}{2},\end{split}\]当 $0 < x < {x_1}$ 时,$f'\left( x \right) > 0$;当 ${x_1} < x < {x_2}$ 时,$f'\left( x \right) < 0$;当 $x > {x_2}$ 时,$f'\left( x \right) > 0$.故 $f\left( x \right)$ 分别在 $\left( {0,{x_1}} \right)$,$\left( {{x_2}, + \infty } \right)$ 上单调递增,在 $\left( {{x_1},{x_2}} \right)$ 上单调递减.
综上知,当 $a\leqslant 2$ 时,$f\left(x\right)$ 在定义域 $\left(0,+\infty\right)$ 上单调递增;当 $a>2$ 时,$f\left(x\right)$ 在区间 $\left(0,\dfrac{{a - \sqrt {{a^2} - 4} }}{2}\right)$ 与 $\left(\dfrac{{a + \sqrt {{a^2} - 4} }}{2},+\infty\right)$ 上单调递增;在区间 $\left(\dfrac{{a - \sqrt {{a^2} - 4} }}{2},\dfrac{{a + \sqrt {{a^2} - 4} }}{2}\right)$ 上单调递减. -
若 $f\left( x \right)$ 有两个极值点 ${x_1}$ 和 ${x_2}$,记过点 $A\left( {{x_1},f\left( {x_1} \right)} \right),$ $B\left( {{x_2},f\left( {x_2} \right)} \right)$ 的直线斜率为 $k$.问:是否存在 $a$,使得 $k = 2 - a$?若存在,求出 $a$ 的值;若不存在,请说明理由.标注答案解析由(1)知,\[a > 2.\]$x_1,x_2$ 与(1)中相同.因为\[ f\left( {x_1} \right) - f\left( {x_2} \right) = \left( {{x_1} - {x_2}} \right) + \dfrac{{{x_1} - {x_2}}}{{{x_1}{x_2}}}-a\left( {\ln {x_1} - \ln {x_2}} \right), \]所以\[\begin{split}k & = \dfrac{{f\left({x_1}\right) - f\left({x_2}\right)}}{{{x_1} - {x_2}}} \\& = 1 + \dfrac{1}{{{x_1}{x_2}}} - a \cdot \dfrac{{\ln {x_1} - \ln {x_2}}}{{{x_1} - {x_2}}}.\end{split}\]又由(1)知,${x_1}{x_2} = 1$.于是\[k = 2 - a \cdot \dfrac{{\ln {x_1} - \ln {x_2}}}{{{x_1} - {x_2}}}.\]若存在 $a$,使得 $k = 2 - a$.则\[\dfrac{{\ln {x_1} - \ln {x_2}}}{{{x_1} - {x_2}}} = 1,\]即\[\ln {x_1} - \ln {x_2} = {x_1} - {x_2},\]亦即\[{x_2} - \dfrac{1}{x_2} - 2\ln {x_2} = 0\left( {{x_2} > 1} \right)\left( * \right).\]再由(1)知,函数 $h\left( t \right) = t - \dfrac{1}{t} - 2\ln t$ 在 $\left( {0, + \infty } \right)$ 上单调递增,
而 ${x_2} > 1$,所以\[{x_2} - \dfrac{1}{x_2} - 2\ln {x_2} > 1 - \dfrac{1}{1} - 2\ln 1 = 0,\]这与 $\left(*\right)$ 式矛盾.故不存在 $a$,使得 $k = 2 - a$.
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