已知函数 $ f\left(x\right) $ 满足 $ f\left(x\right)=f'\left(1\right){\mathrm{e}}^{x-1}-f\left(0\right)x+{\dfrac{1}{2}}x^2 $.
【难度】
【出处】
【标注】
  1. 求 $ f\left(x\right) $ 的解析式及单调区间;
    标注
    答案
    $ f\left(x\right)={\mathrm{e}}^x-x+\dfrac{1}{2}x^2 $,$ f\left(x\right) $ 在 $ \left(-\infty ,0\right) $ 上单调递减,在 $ \left(0,+\infty \right) $ 上单调递增.
    解析
    由已知得\[ f'\left(x\right)=f'\left(1\right){\mathrm{e}}^{x-1}-f\left(0\right)+x. \]所以\[ f'\left(1\right)=f'\left(1\right)-f\left(0\right)+1, \]即 $ f\left(0\right)=1 $,又 $ f\left(0\right)=f'\left(1\right){\mathrm{e}}^{-1} $,所以 $ f'\left(1\right)={\mathrm{e}} $,从而\[ f\left(x\right)={\mathrm{e}}^x-x+\dfrac{1}{2}x^2.\]由于 $ f'\left(x\right)={\mathrm{e}}^x-1+x $,
    故当 $ x\in \left(-\infty ,0\right) $ 时,$ f'\left(x\right)<0 $;
    当 $ x\in \left(0,+\infty \right) $ 时,$ f'\left(x\right)>0 $,
    从而 $ f\left(x\right) $ 在 $ \left(-\infty ,0\right) $ 上单调递减,在 $ \left(0,+\infty \right) $ 上单调递增.
  2. 若 $ f\left(x\right)\geqslant {\dfrac{1}{2}}x^2+ax+b $,求 $ \left(a+1\right)b $ 的最大值.
    标注
    答案
    $ \dfrac{{\mathrm{e}}}{2} $
    解析
    由已知条件得 $ {\mathrm{e}}^x-\left(a+1\right)x\geqslant b , \quad \cdots \cdots ① $
    (ⅰ)若 $ a+1<0 $,则对任意实数 $ b $,当 $ x<0 $,且 $ x<\dfrac{1-b}{a+1} $ 时,
    可得 $ {\mathrm{e}}^x-\left(a+1\right)x<b $,因此 ① 式不成立.
    (ⅱ)若 $ a+1=0 $,① 式恒成立时,$ b\leqslant 0 $,此时 $ \left(a+1\right)b=0 $.
    (ⅲ)若 $ a+1>0 $,设 $ g\left(x\right)={\mathrm{e}}^x-\left(a+1\right)x $,则 $ g'\left(x\right)={\mathrm{e}}^x-\left(a+1\right) $.
    当 $ x\in \left(-\infty ,\ln\left(a+1\right)\right) $ 时,$ g'\left(x\right)<0 $;
    当 $ x\in \left(\ln\left(a+1\right),+\infty \right) $ 时,$ g'\left(x\right)>0 $.
    从而 $ g\left(x\right) $ 在 $ \left(-\infty ,\ln\left(a+1\right)\right) $ 上单调递减,在 $ \left(\ln\left(a+1\right),+\infty \right) $ 上单调递增.
    故 $ g\left(x\right) $ 有最小值\[ g\left(\ln\left(a+1\right)\right)=a+1-\left(a+1\right)\ln\left(a+1\right), \]所以\[ f\left(x\right)\geqslant {\dfrac{1}{2}}x^2+ax+b ,\]等价于\[ b\leqslant a+1-\left(a+1\right)\ln \left(a+1\right), \quad \cdots \cdots ② \]因此\[ \left(a+1\right)b\leqslant \left(a+1\right)^2-\left(a+1\right)^2\ln\left(a+1\right),\]设\[ h\left(a\right)=\left(a+1\right)^2-\left(a+1\right)^2\ln\left(a+1\right) ,\]则\[ h'\left(a\right)=\left(a+1\right)\left[1-2\ln\left(a+1\right)\right] ,\]所以 $ h\left(a\right) $ 在 $ \left(-1,{\mathrm{e}}^{\frac{1}{2}}-1\right) $ 上单调递增,在 $ \left({\mathrm{e}}^{\frac{1}{2}}-1,+\infty \right) $ 上单调递减,
    故 $ h\left(a\right) $ 在 $ a={\mathrm{e}}^{\frac{1}{2}}-1 $ 处取得最大值.从而 $ h\left(a\right)\leqslant {\dfrac{{\mathrm{e}}}{2}} $,即\[ \left(a+1\right)b\leqslant {\dfrac{{\mathrm{e}}}{2}}. \]当 $ a={\mathrm{e}}^{\frac{1}{2}}-1$,$b=\dfrac{{\mathrm{e}}^ \frac{1}{2}}{ 2 }$ 时,② 式等号成立,故\[f\left(x\right)\geqslant {\dfrac{1}{2}}x^2+ax+b ,\]综合得,$ \left(a+1\right)b $ 的最大值为 $ \dfrac{{\mathrm{e}}}{2} $.
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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