设函数 $f(x)=\dfrac{x}{\ln x}-ax$.
【难度】
【出处】
2015年全国高中数学联赛黑龙江省预赛
【标注】
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若函数 $f(x)$ 在 $(1,+\infty)$ 上为单调递减函数,求实数 $a$ 的最小值;标注答案$\dfrac14$解析由已知得 $x>0,x\ne1$.
由题可知$$\forall x\in(1,+\infty),f'(x)=\dfrac{\ln x-1}{(\ln x)^2}-a\leqslant0,$$所以只需 $\max\{f'(x)\}\leqslant0$.
又$$f'(x)=-\left(\dfrac{1}{\ln x}\right)^2+\dfrac{1}{\ln x}-a=-\left(\dfrac{1}{\ln x}-\dfrac12\right)^2+\dfrac14-a,$$故当 $\dfrac{1}{\ln x}=\dfrac12$,即 $x=\mathrm{e}^2$ 时,$$\max\{f'(x)\}=\dfrac14-a,$$于是 $a\geqslant\dfrac14$.
故 $a$ 的最小值为 $\dfrac14$. -
若存在 $x_1,x_2\in[\mathrm{e},\mathrm{e}^2]$,使 $f(x_1)\leqslant f'(x_2)+a$ 成立,求实数 $a$ 的取值范围.标注答案$\left[\dfrac12-\dfrac{1}{4\mathrm{e}^2},+\infty\right)$解析题意即$$\forall x\in[\mathrm{e},\mathrm{e}^2],\min\{f(x)\}\leqslant\max\{f'(x)\}+a,$$由 $(1)$ 知,$\max\{f'(x)\}=\dfrac14-a$,所以$$\max\{f'(x)\}+a=\dfrac14,$$于是题意转化为$$\forall x\in[\mathrm{e},\mathrm{e}^2],\min\{f(x)\}\leqslant\dfrac14.$$
情形一 当 $a\geqslant\dfrac14$ 时,由 $(1)$,$f(x)$ 在 $[\mathrm{e},\mathrm{e}^2]$ 上为减函数,则$$\min\{f(x)\}=f(\mathrm{e}^2)=\dfrac{\mathrm{e}^2}{2}-a\mathrm{e}^2\leqslant\dfrac14,$$解得$$a\geqslant\dfrac12-\dfrac{1}{4\mathrm{e}^2}.$$情形二 当 $a<\dfrac14$ 时,$f'(x)$ 在 $[\mathrm{e},\mathrm{e}^2]$ 上的值域为 $\left[-a,\dfrac14-a\right]$.
(i)当 $-a\geqslant0$,即 $a\leqslant0$ 时,$f'(x)\geqslant0$ 在 $[\mathrm{e},\mathrm{e}^2]$ 上恒成立,故 $f(x)$ 在 $[\mathrm{e},\mathrm{e}^2]$ 上为增函数,于是$$\min\{f(x)\}=f(\mathrm{e})=\mathrm{e}-a\mathrm{e}\geqslant\mathrm{e}>\dfrac14,$$矛盾.
(ii)当 $-a<0$,即 $0<a<\dfrac14$ 时,由 $f'(x)$ 的单调性和值域知,存在唯一 $x_0\in(\mathrm{e},\mathrm{e}^2)$,使 $f'(x)=0$,且满足当 $x\in(\mathrm{e},x_0)$ 时,$f'(x)<0$,$f(x)$ 为减函数;当 $x\in(x_0,\mathrm{e}^2)$ 时,$f'(x)>0$,$f(x)$ 为增函数,所以$$\min\{f(x)\}=f(x_0)=\dfrac{x_0}{\ln x_0}-ax_0\leqslant\dfrac14,$$整理得$$a\geqslant\dfrac{1}{\ln x_0}-\dfrac{1}{4x_0}>\dfrac{1}{\ln\mathrm{e}^2}-\dfrac{1}{4\mathrm{e}}>\dfrac12-\dfrac14=\dfrac14,$$与 $0<a<\dfrac14$ 矛盾.
综上,$a$ 的取值范围为 $\left[\dfrac12-\dfrac{1}{4\mathrm{e}^2},+\infty\right)$.
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