已知函数 $ f\left(x\right)={\mathrm{e}}^{ax}-x $,其中 $ a\neq 0 $.
【难度】
【出处】
2012年高考湖南卷(理)
【标注】
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若对一切 $ x\in {\mathbb{R}}$,$f\left(x\right)\geqslant 1 $ 恒成立,求 $ a $ 的取值集合;标注答案解析若 $ a<0 $,则对一切 $ x>0$,$f\left(x\right)={\mathrm{e}}^{ax}-x<1 $,这与题设矛盾.
又 $ a\neq 0 $,故 $ a>0 $.
而 $ f'\left(x\right)=a{\mathrm{e}}^{ax}-1 $,令 $ f'\left(x\right)=0 $,得\[ x={\dfrac{1}{a}}\ln{\dfrac{1}{a}}. \]当 $ x<{\dfrac{1}{a}}\ln {\dfrac{1}{a}} $ 时,$ f'\left(x\right)<0$,$f\left(x\right) $ 单调递减;
当 $ x>{\dfrac{1}{a}} \ln{\dfrac{1}{a}} $ 时,$ f '\left(x\right)>0$,$f\left(x\right) $ 单调递增.
故当 $ x={\dfrac{1}{a}}\ln{\dfrac{1}{a}} $ 时,$ f\left(x\right) $ 取最小值\[ f \left({\dfrac{1}{a}}\ln{\dfrac{1}{a}} \right)={\dfrac{1}{a}}-{\dfrac{1}{a}}\ln{\dfrac{1}{a}}. \]于是对一切 $ x\in {\mathbb{R}}$,$f\left(x\right)\geqslant 1 $ 恒成立,当且仅当\[ {\dfrac{1}{a}}-{\dfrac{1}{a}}\ln{\dfrac{1}{a}}\geqslant 1, \quad \cdots \cdots ① \]令 $ g\left(t\right)=t-t\ln t\left(t>0\right) $,则 $ g'\left(t\right)=-\ln t $.
当 $ 0<t<1 $ 时,$ g'\left(t\right)>0$,$g\left(t\right) $ 单调递增;
当 $ t>1 $ 时,$ g'\left(t\right)<0$,$g\left(t\right) $ 单调递减.
故当 $ t=1 $ 时,$ g\left(t\right) $ 取最大值\[ g\left(1\right)=1. \]因此,当且仅当 $ {\dfrac{1}{a}}=1 $,即 $ a=1 $ 时,① 式成立.
综上所述,$ a $ 的取值集合为 $ \left\{1\right\} $. -
在函数 $ f\left(x\right) $ 的图象上取定两点 $ A\left(x_1,f\left(x_1\right)\right)$,$B\left(x_2,f\left(x_2\right)\right)\left(x_1<x_2\right) $,记直线 $ AB $ 的斜率为 $ k $.问:是否存在 $ x_0\in \left(x_1,x_2\right) $,使 $ f '\left(x_0\right)>k $ 成立?若存在,求 $ x_0 $ 的取值范围;若不存在,请说明理由.标注答案解析由题意知,\[ k={\dfrac{f\left(x_2\right)-f\left(x_1\right)}{x_2-x_1}}={\dfrac{{\mathrm{e}}^{ax_2}-{\mathrm{e}}^{ax_1}}{x_2-x_1}}-1, \]令\[ \varphi \left(x\right)=f '\left(x\right)-k=a{\mathrm{e}}^{ax}-{\dfrac{{\mathrm{e}}^{ax_2}-{\mathrm{e}}^{ax_1}}{x_2-x_1}}, \]则\[ \begin{split}\varphi \left(x_1\right)&=-{\dfrac{{\mathrm{e}}^{ax_1}}{x_2-x_1}}\left[{\mathrm{e}}^{a\left(x_2-x_1\right)}-a\left(x_2-x_1\right)-1\right],\\\varphi \left(x_2\right)&={\dfrac{{\mathrm{e}}^{ax_2}}{x_2-x_1}}\left[{\mathrm{e}}^{a\left(x_1-x_2\right)}-a\left(x_1-x_2\right)-1\right],\end{split} \]令 $ F\left(t\right)={\mathrm{e}}^t-t-1 $,则 $ F'\left(t\right)={\mathrm{e}}^t-1 $.
当 $ t<0 $ 时,$ F'\left(t\right)<0 $,$ F\left(t\right) $ 单调递减;
当 $ t>0 $ 时,$ F'\left(t\right)>0$,$F\left(t\right) $ 单调递增.
故当 $ t\neq 0 $ 时,$ F\left(t\right)>F\left(0\right)=0 $,即 $ {\mathrm{e}}^t-t-1>0 $.从而\[ {\mathrm{e}}^{a\left(x_2-x_1\right)}-a\left(x_2-x_1\right)-1>0,\\ {\mathrm{e}}^{a\left(x_1-x_2\right)}-a\left(x_1-x_2\right)-1>0, \]又\[ {\dfrac{{\mathrm{e}}^{ax_1}}{x_2-x_1}}>0,{\dfrac{{\mathrm{e}}^{ax_2}}{x_2-x_1}}>0, \]所以\[ \varphi \left(x_1\right)<0,\varphi \left(x_2\right)>0 .\]因为函数 $ y=\varphi \left(x\right) $ 在区间 $ \left[x_1,x_2\right] $ 上的图象是连续不断的一条曲线,
所以存在 $ c\in \left(x_1,x_2\right) $,使得 $ \varphi \left(c\right)=0 $.
又 $ \varphi '\left(x\right)=a^2{\mathrm{e}}^{ax}>0$,$\varphi \left(x\right) $ 单调递增,
故这样的 $ c $ 是唯一的,且\[ c={\dfrac{1}{a}}\ln{\dfrac{{\mathrm{e}}^{ax_2}-{\mathrm{e}}^{ax_1}}{a\left(x_2-x_1\right)}}. \]故当且仅当 $ x\in \left({\dfrac{1}{a}}\ln{\dfrac{{\mathrm{e}}^{ax_2}-{\mathrm{e}}^{ax_1}}{a\left(x_2-x_1\right)}},x_2 \right)$ 时,$ f '\left(x\right)>k $.
综上所述,存在 $ x_0\in \left(x_1,x_2\right) $,使 $ f '\left(x_0\right)>k $ 成立,且 $ x_0 $ 的取值范围为 $\left({\dfrac{1}{a}}\ln{\dfrac{{\mathrm{e}}^{ax_2}-{\mathrm{e}}^{ax_1}}{a\left(x_2-x_1\right)}} ,x_2 \right)$.
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