已知函数 $f(x)=(x-2){\rm e}^x+a(x-1)^2$.
【难度】
【出处】
无
【标注】
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讨论 $f(x)$ 的单调性;标注答案略解析函数 $f(x)$ 的导函数$$f'(x)=(x-1)({\rm e}^x+2a),$$因此可以得到讨论的分界点为 $-\dfrac{\rm e}2,0$.
(i)当 $a<-\dfrac{\rm e}2$ 时,$\ln (-2a)>1$,因此函数 $f(x)$ 在 $(-\infty,1)$ 上单调递增,在 $(1,\ln(-2a))$ 上单调递减,在 $(\ln(-2a),+\infty)$ 上单调递增.
(ii)当 $a=-\dfrac{\rm e}2$ 时,$\ln (-2a)=1$,因此函数 $f(x)$ 在 $\mathbb R$ 上单调递增.
(iii)当 $-\dfrac{\rm e}2<a<0$ 时,$\ln (-2a)<1$,因此函数 $f(x)$ 在 $(-\infty,\ln(-2a))$ 上单调递增,在 $(\ln(-2a),1)$ 上单调递减,在 $(1,+\infty)$ 上单调递增.
(iv)\quad 当 $a\geqslant 0$ 时,${\rm e}^x+2a>0$,因此函数 $f(x)$ 在 $(-\infty,1)$ 上单调递减,在 $(1,+\infty)$ 上单调递增. -
若 $f(x)$ 有两个零点,求 $a$ 的取值范围.标注答案$a$ 的取值范围是 $(0,+\infty)$解析显然 $x=1$ 不是函数 $f(x)$ 的零点.当 $x\neq 1$ 时,方程 $f(x)=0$ 等价于$$a=\dfrac{2-x}{(x-1)^2}\cdot {\rm e}^x.$$记右侧函数为 $g(x)$,则 $g(x)$ 的导函数$$g'(x)=-{\rm e}^x\cdot \dfrac{x^2-4x+5}{(x-1)^3},$$因此函数 $g(x)$ 在 $(-\infty,1)$ 上单调递增,而在 $(1,+\infty)$ 上单调递减.
由于函数 $g(x)$ 在 $(-\infty,1)$ 上的取值范围是 $(0,+\infty)$,而在 $(1,+\infty)$ 上的取值范围是 $(-\infty,+\infty)$,因此当 $a>0$ 时,函数 $f(x)$ 有两个零点,所求取值范围是 $(0,+\infty)$.严格论证 (i)当 $a\leqslant 0$ 时,由于在 $(-\infty,1)$ 上,$g(x)>0$,因此在此区间上不存在 $x$ 使得$$g(x)=a,$$而在 $(1,+\infty)$ 上,函数 $g(x)$ 单调递减,不可能存在两个零点;
(ii)当 $a>0$ 时,取 $x_1=\min\left\{1+\sqrt{\dfrac 1a},\dfrac 32\right\}$,则$$g(x_1)>\dfrac{1}{(x_1-1)^2}\geqslant a,$$而 $g(2)=0<a$,结合 $g(x)$ 在 $(1,+\infty)$ 上单调递减,可以断定在区间 $(x_1,2)$ 上必然有一个零点;
另一方面,取 $x_2=\max\left\{1-\sqrt{\dfrac 2a},0\right\}$,则$$g(x_2)\geqslant \dfrac{2}{(x_2-1)^2}\geqslant a,$$而取 $x_3=1-\dfrac{{\rm e}}a$,则$$g(x_3)<{\rm e}\cdot \dfrac{1-x_3}{\left(x_3-1\right)^2}=\dfrac{{\rm e}}{1-x_3}=a,$$结合 $g(x)$ 在 $(-\infty,1)$ 上单调递增,可以断定在区间 $(x_3,x_2)$ 上必然有一个零点;
综上所述,$a$ 的取值范围是 $(0,+\infty)$.
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