已知函数 $f(x)=x+a\ln x,a \in \mathbb{R}$.
【难度】
【出处】
【标注】
  1. 求函数 $f(x)$ 的单调区间;
    标注
    答案
    当 $a\geqslant 0$ 时,函数 $f(x)$ 的单调递增区间为 $(0,+\infty)$.
    当 $a<0$ 时,函数 $f(x)$ 的单调递减区间为 $(0,-a)$,单调递增区间为 $(-a,+\infty)$
    解析
  2. 当 $x\in [1,2]$ 时,都有 $f(x)>0$ 成立,求 $a$ 的取值范围;
    标注
    答案
    $a>-\dfrac{2}{\ln 2} $
    解析
    当 $x\in [1,2]$ 时,$f(x)>0$ 等价于 $a>-\dfrac{x}{\ln x} $,解得 $a>-\dfrac{2}{\ln 2} $.
  3. 试问过点 $P(1,3)$ 存在多少条直线与曲线 $y=f(x)$ 相切?并说明理由.
    标注
    答案
    当 $a>0$ 时,过点 $P(1,3)$ 有 $2$ 条直线与曲线 $y=f(x)$ 相切;当 $a\leqslant 0$ 时,过点 $P(1,3)$ 不存在直线与曲线 $y=f(x)$ 相切
    解析
    设切点坐标为 $\left(t,t+a\ln{t}\right) $.若切线过点 $P(1,3)$,则$$a \left(\ln{t}+\dfrac{1}{t}-1 \right)=2. $$令 $g(t)=\ln{t}+\dfrac{1}{t}-1,t>0$,易知 $g(t) \geqslant g(1)=0$.
    ① 若 $a \leqslant 0$,则关于 $t$ 的方程 $a \left(\ln{t}+\dfrac{1}{t}-1 \right)=2$ 在 $\left(0,+\infty\right)$ 上显然无解.
    ② 若 $a > 0$,则 $\dfrac{2}{a}\in \left(0,+\infty\right) $,此时关于 $t$ 的方程 $\ln{t}+\dfrac{1}{t}-1=\dfrac{2}{a} $ 在 $\left(0,+\infty\right)$ 上有 $2$ 个不同的解.证明如下.
    $a$:当 $t=1$ 时,关于 $t$ 的方程 $\ln{t}+\dfrac{1}{t}-1=\dfrac{2}{a} $ 显然无解.
    $b$:当 $0<t<1$ 时,
     法一 $g(t)=\ln{t}+\dfrac{1}{t}-1$ 单调递减.因为$$g(1)=0<\dfrac{2}{a},$$利用 $\mathrm{e} ^x \geqslant \mathrm{e} x$ 可得$$ g\left(\mathrm{e} ^{-\frac{a+3}{a\left(\mathrm{e} -1\right) } }\right)=-\dfrac{a+3}{a\left(\mathrm{e} -1\right) }+\mathrm{e} ^{\frac{a+3}{a\left(\mathrm{e} -1\right) } }-1\geqslant -\dfrac{a+3}{a\left(\mathrm{e} -1\right) }+\mathrm{e} \cdot\dfrac{a+3}{a\left(\mathrm{e} -1\right) } -1=\dfrac{3}{a} >\dfrac{2}{a} , $$所以关于 $t$ 的方程 $\ln{t}+\dfrac{1}{t}-1=\dfrac{2}{a} $ 在 $\left(0,1\right)$ 上有唯一解.
    法二 $g(t)=\ln{t}+\dfrac{1}{t}-1$ 单调递减.因为$$g(1)=0<\dfrac{2}{a},$$取 $0<t_0=\dfrac{1}{\left(\sqrt{\dfrac{3}{a} }+1 \right)^2 }<1$,利用 $\ln{t}\geqslant 2\left(1-\dfrac{1}{\sqrt{t} } \right)$ 可得$$g \left(t_0\right) \geqslant \left(\dfrac{1}{\sqrt{t_0}}-1 \right)^2 =\dfrac{3}{a}>\dfrac{2}{a}, $$所以关于 $t$ 的方程 $\ln{t}+\dfrac{1}{t}-1=\dfrac{2}{a} $ 在 $\left(0,1\right)$ 上有唯一解.
    法三令 $\dfrac{1}{t}=\mathrm{e} ^s, s>0$,此时只需证明关于 $s$ 的方程 $\mathrm{e} ^s-s-1=\dfrac{2}{a} $ 在 $\left(0,+\infty\right) $ 上有唯一解.
    令 $h(s)=\mathrm{e} ^s-s-1$,则 $h(s)$ 在 $\left(0,+\infty\right) $ 上单调递增.因为$$h(0)=0<\dfrac{2}{a}, $$利用 $\mathrm{e} ^x \geqslant 1+x+\dfrac{1}{2}x^2 $ 可得$$h\left(\sqrt{\dfrac{6}{a} } \right)\geqslant \dfrac{1}{2}\cdot \dfrac{6}{a}=\dfrac{3}{a}>\dfrac{2}{a}, $$所以关于 $s$ 的方程 $\mathrm{e} ^s-s-1=\dfrac{2}{a} $ 在 $\left(0,+\infty\right) $ 上有唯一解,从而关于 $t$ 的方程 $\ln{t}+\dfrac{1}{t}-1=\dfrac{2}{a} $ 在 $\left(0,1\right)$ 上有唯一解.
    $c$:当 $t>1$ 时,$g(t)=\ln{t}+\dfrac{1}{t}-1$ 单调递增.因为$$g(1)=0<\dfrac{2}{a},g\left(\mathrm{e} ^{\frac{2}{a}+1 }\right)=\dfrac{2}{a} +\dfrac{a}{a+2}>\dfrac{2}{a} , $$所以关于 $t$ 的方程 $\ln{t}+\dfrac{1}{t}-1=\dfrac{2}{a} $ 在 $\left(1,+\infty\right)$ 上有唯一解.
    综上所述,当 $a>0$ 时,过点 $P(1,3)$ 有 $2$ 条直线与曲线 $y=f(x)$ 相切;当 $a\leqslant 0$ 时,过点 $P(1,3)$ 不存在直线与曲线 $y=f(x)$ 相切.
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 问题3 答案3 解析3 备注3
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