已知函数 $ f\left(x\right)={\mathrm{e}}^x+ax^2-{\mathrm{e}}x$,$a\in {\mathbb{R }}$.
【难度】
【出处】
2012年高考福建卷(理)
【标注】
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若曲线 $ y=f\left(x\right) $ 在点 $ \left(1,f\left(1\right)\right) $ 处的切线平行于 $ x $ 轴,求函数 $ f\left(x\right) $ 的单调区间;标注答案解析对 $f\left(x\right)$ 求导可得\[ f ′\left(x\right)={\mathrm{e}}^x+2ax-{\mathrm{e}} ,\]曲线 $ y=f\left(x\right) $ 在点 $\left(1,f\left(1\right)\right)$ 处切线斜率 $ k=2a=0 $,所以 $ a=0 $,即\[ f\left(x\right)={\mathrm{e}}^x-{\mathrm{e}}x .\]此时 $ f ′\left(x\right)={\mathrm{e}}^x-{\mathrm{e}} $,由 $ f ′\left(x\right)=0$,得 $x=1 $,
当 $ x\in \left(-\infty ,1\right) $ 时,有 $ f ′\left(x\right)<0 $;当 $ x\in \left(1,+\infty \right) $ 时,有 $ f ′\left(x\right)>0 $.
所以 $ f\left(x\right) $ 的单调递减区间为 $ \left(-\infty ,1\right) $,单调递增区间为 $ \left(1,+\infty \right) $. -
试确定 $ a $ 的取值范围,使得曲线 $ y=f\left(x\right) $ 上存在唯一的点 $ P $,曲线在该点处的切线与曲线只有一个公共点 $ P $.标注答案解析设点 $ P\left(x_0,f\left(x_0\right)\right) $,曲线 $ y=f\left(x\right) $ 在点 $ P $ 处的切线方程为\[ y=f ′\left(x_0\right)\left(x-x_0\right)+f\left(x_0\right),\]令\[ g\left(x\right)=f\left(x\right)-f ′\left(x_0\right)\left(x-x_0\right)-f\left(x_0\right) ,\]故曲线 $ y=f\left(x\right) $ 在点 $ P $ 处的切线与曲线只有一个公共点 $ P $ 等价于函数 $ g\left(x\right) $ 有唯一零点.
因为 $ g\left(x_0\right)=0 $,且\[ \begin{split}g′\left(x\right)&=f ′\left(x\right)-f ′\left(x_0\right)\\&={\mathrm{e}}^x-{\mathrm{e}}^{x_0}+2a\left(x-x_0\right). \end{split}\](i)若 $ a\geqslant 0 $,
当 $ x>x_0 $ 时,$ g′\left(x\right)>0 $,则 $ x>x_0 $ 时,$ g\left(x\right)>g\left(x_0\right)=0 $;
当 $ x<x_0 $ 时,$ g′\left(x\right)<0 $,则 $ x<x_0 $ 时,$ g\left(x\right)>g\left(x_0\right)=0 $.
故 $ g\left(x\right) $ 只有唯一零点 $ x=x_0 $.由 $ P $ 的任意性知,$ a\geqslant 0 $ 不合题意.
(ii)若 $ a<0 $,
令 $ h\left(x\right)={\mathrm{e}}^x-{\mathrm{e}}^{x_0}+2a\left(x-x_0\right) $,则 $ h\left(x_0\right)=0,h′\left(x\right)={\mathrm{e}}^x+2a $.
令 $ h′\left(x\right)=0 $,得 $ x=\ln\left(-2a\right) $,记 $ x^*=\ln\left(-2a\right) $,
则当 $ x\in \left(-\infty,x^*\right) $ 时,$ h′\left(x\right)<0 $,从而 $ h\left(x\right) $ 在 $ \left(-\infty ,x^*\right) $ 内单调递减;
当 $ x\in \left(x^*,+\infty \right) $ 时,$ h′\left(x\right)>0 $,从而 $ h\left(x\right) $ 在 $ \left(x^*,+\infty \right) $ 内单调递增.
① 若 $ x_0=x^* $,由 $ x\in \left(-\infty ,x^*\right) $ 时,$ g′\left(x\right)=h\left(x\right)>h\left(x^*\right)=0 $;
$ x\in \left(x^*,+\infty \right) $ 时,$ g′\left(x\right)=h\left(x\right)>h\left(x^*\right)=0 $.
知 $ g\left(x\right) $ 在 ${\mathbb{ R}} $ 上单调递增.
所以函数 $ g\left(x\right) $ 在 $ {\mathbb{R}} $ 上有且只有一个零点 $ x=x^* $.
② 若 $ x_0>x^* $,由于 $ h\left(x\right) $ 在 $ \left(x^*,+\infty \right) $ 内单调递增,且 $ h\left(x_0\right)=0 $,
则当 $ x\in \left(x^*,x_0\right) $ 时有 $ g′\left(x\right)=h\left(x\right)<h\left(x_0\right)=0 $,$ g\left(x\right)>g\left(x_0\right)=0 $;
任取 $ x_1\in \left(x^* ,x_0\right) $ 有 $ g\left(x_1\right)>0 $.
又当 $ x\in \left(-\infty ,x_1\right) $ 时,易知\[\begin{split} g\left(x\right)&={\mathrm{e}}^x+ax^2-\left({\mathrm{e}}+f ′\left(x_0\right)\right)x- f\left(x_0\right)+x_0f ′\left(x_0\right)\\&<{\mathrm{e}}^{x_1}+ax^2-\left({\mathrm{e}}+f ′\left(x_0\right)\right)x-f\left(x_0\right)+x_0f ′\left(x_0\right)\\&= ax^2+bx+c, \end{split}\]其中\[\begin{split} b&=-\left({\mathrm{e}}+f ′\left(x_0\right)\right),\\c&={\mathrm{e}}^{x_1}-f\left(x_0\right)+x_0f ′\left(x_0\right) .\end{split}\]由于 $ a<0 $,则必存在 $ x_2<x_1 $,使得 $ ax^2_2+bx_2+c<0 $.
所以 $ g\left(x_2\right)<0 $,故 $ g\left(x\right) $ 在 $ \left(x_2,x_1\right) $ 内存在零点.
即 $ g\left(x\right) $ 在 ${\mathbb{ R}} $ 上至少有两个零点.
③ 若 $ x_0<x^* $,仿 ② 并利用 $ {\mathrm{e}}^x>{\dfrac{x^3}{6}} $,可证函数 $ g\left(x\right) $ 在 $ {\mathbb{R}} $ 上至少有两个零点.
综上所述,当 $ a<0 $ 时,曲线 $ y=f\left(x\right) $ 上存在唯一点 $ P\left(\ln\left(-2a\right) ,f\left(\ln\left(-2a\right)\right)\right) $,
曲线在该点处的切线与曲线只有一个公共点 $ P $.
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