已知函数 $f(x)=a{\mathrm e}^{x-1}-1$,$x\in\mathbb R$.若方程 $f(x)+|x-a|=0$ 有且仅有两个不相等的实根,则实数 $a$ 的取值范围为
【难度】
【出处】
【标注】
  • 知识点
    >
    微积分初步
    >
    利用导数研究函数的性质
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    利用导数研究函数的零点
【答案】
$\{-1\}\cup [0,1)$
【解析】
分别考虑$$g(x)=a{\mathrm e}^{x-1}-1+x-a,x\geqslant a$$和函数$$h(x)=a{\mathrm e}^{x-1}-x+a-1,x<a$$的零点个数.注意到$$g'(x)=a{\mathrm e}^{x-1}+1,h'(x)=a{\mathrm e}^{x-1}-1,$$且当 $a\leqslant 1$ 时 $g(1)=0$.
情形一 $a=0$.
此时如图,符合题意.情形二 $a>0$.此时 $g'(x)>0$,而 $h'(a)=a{\mathrm e}^{a-1}-1$ 有零点为 $a=1$,因此需要进一步讨论.
① $0<a<1$.
此时 $h'(x)<0$,因此 $h(x)$ 单调递减,$g(x)$ 单调递增,而$$g(a)=a{\mathrm e}^{a-1}-1<0,$$于是 $g(x)$ 和 $h(x)$ 各有一个零点,符合题意.② $a=1$.
此时与 ① 类似,$h(x)$ 单调递减,$g(x)$ 单调递增,而$$g(a)=a{\mathrm e}^{a-1}-1=0,$$于是 $g(x)$ 有一个零点为 $x=1$,$h(x)$ 没有零点,不符合题意.③ $a>1$.
此时 $h(x)$ 先递减再递增,且极小值点 $x_0$ 满足 $a{\mathrm e}^{x_0-1}-1=0$,于是可得极小值为$$h(x_0)=a{\mathrm e}^{x_0-1}-1-x_0+a=a-x_0>0,$$因此 $g(x)$ 与 $h(x)$ 均没有零点,不符合题意.情形三 $a<0$.
此时 $h'(x)<0$,而$$g(a)=a{\mathrm e}^{a-1}-1<0,$$因此函数 $h(x)$ 有一个零点.另一方面,注意到 $g(a)<0$ 且 $g(1)=0$,于是 $g(x)$ 先递增后递减,因此只有当 $x=1$ 为函数 $g(x)$ 的极大值点时符合题意,此时将 $x=1$ 代入$$a{\mathrm e}^{x-1}+1=0$$解得$$a=-1.$$综上所述,所求实数 $a$ 的取值范围是 $\{-1\}\cup [0,1)$.
其他解法 当 $a>0$ 时,将方程变形为$${\mathrm e}^{x-1}=-\left|\dfrac 1ax-1\right|+\dfrac 1a,$$注意以下事实:
1、等式右边图象的“顶点”为 $\left(a,\dfrac 1a\right)$,在双曲线 $y=\dfrac 1x$ 上;
2、等式右边图象恒过点 $(-1,-1)$;
3、等式左边图象与双曲线 $y=\dfrac 1x$ 的交点为 $(1,1)$,并且该点与 $(-1,-1)$ 的连线与等式左边图象相切与 $(1,1)$.其他情形的讨论从略.
题目 答案 解析 备注
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