若函数 $f(x)=2{\rm e}^x-ax^2+(a-2{\rm e})x$ 有三个不同的零点,则实数 $a$ 的取值范围是 .
【难度】
【出处】
无
【标注】
【答案】
$(0,+\infty)$
【解析】
注意到 $x=1$ 是函数 $f(x)$ 的零点,而 $x=0$ 不是函数 $f(x)$ 的零点,于是问题等价于函数$$g(x)=\dfrac{{\rm e}^x-{\rm e}x}{x^2-x},x\ne 0 \land x\ne 1,$$的图象与直线 $y=\dfrac 12a$ 有两个公共点.函数 $g(x)$ 的导函数$$g'(x)=\dfrac{{\rm e}^x\left(x^2-3x+1\right)+{\rm e}x^2}{\left(x^2-x\right)^2}=\dfrac{{\rm e}x^2}{\left(x^2-x\right)^2}\cdot\left[{\rm e}^{x-1}\left(1-\dfrac 3x+\dfrac{1}{x^2}\right)+1\right].$$设函数$$\varphi(x)={\rm e}^{x-1}\left(1-\dfrac 3x+\dfrac 1{x^2}\right),$$则其导函数$$\varphi'(x)={\rm e}^{x-1}\left(1-\dfrac 3x+\dfrac 4{x^2}-\dfrac{2}{x^3}\right)=\dfrac{{\rm e}^{x-1}}{x^3}\left(x-1\right)\left(x^2-2x+2\right),$$于是 $\varphi(x)$ 的最小值为 $\varphi(1)=-1$.这样我们就得到了 $g(x)$ 在 $(-\infty,0)$,$(0,1)$,$(1,+\infty)$ 上均单调递增.显然在 $(-\infty,0)$ 上,$g(x)>0$;在 $(0,1)$ 上 $g(x)<0$;在 $(1,+\infty)$ 上 $g(x)>0$.于是当 $a\leqslant 0$ 时,函数 $g(x)$ 的图象与直线 $y=\dfrac 12a$ 至多只有一个公共点,不符合题意.
接下我们证明当 $a>0$ 时,函数 $g(x)$ 的图象与直线 $y=\dfrac 12a$ 恰好有两个公共点,它们的横坐标分别位于区间 $(-\infty,0)$ 和 $(1,+\infty)$.证明的关键在于在每个区间上,对于任意给定的正数 $m$,都存在比 $m$ 大的函数值以及比 $m$ 小的函数值.
在区间 $(-\infty,0)$ 上,由于$$\dfrac{1}{x^2-x}<\dfrac{{\rm e}^x-{\rm e}x}{x^2-x}<\dfrac{1-{\rm e}x}{x^2-x},$$而在区间 $(-\infty,0)$ 上,函数 $y=\dfrac{1}{x^2-x}$ 可以取到比 $m$ 大的函数值,而函数 $y=\dfrac{1-{\rm e}x}{x^2-x}$ 可以取到比 $m$ 小的函数值;
在区间 $(1,+\infty)$ 上,一方面由 ${\rm e}^x-{\rm e}x>0$ 积分两次可得$$\dfrac{{\rm e}^x-{\rm e}x}{x^2-x}>\dfrac{\dfrac 16{\rm e}x^3-{\rm e}x}{x^2-x},$$而在区间 $(1,+\infty)$ 上,函数 $y=\dfrac{\dfrac 16{\rm e}x^3-{\rm e}x}{x^2-x}$ 可以取到比 $m$ 大的函数值;另一方面,在区间 $(1,2)$ 上,有$$\dfrac{{\rm e}^x-{\rm e}x}{x^2-x}<\dfrac{{\rm e}x-{\rm e}}{x},$$而在区间 $(1,2)$ 上,函数 $y=\dfrac{{\rm e}x-{\rm e}}{x}$ 可以取到比 $m$ 小的函数值.
综上,实数 $a$ 的取值范围是 $(0,+\infty)$.
其他解法 分析 对 ${\rm e}^x-{\rm e}x>0$ 在 $[1,x]$ 上进行积分得$$\int_1^x{({\rm e}^x-{\rm e}x)}{\rm d}x={\rm e}^x-\dfrac 12{\rm e}x^2>0,$$再积分一次即可得到 ${\rm e}^x-{\rm e}x>\dfrac 16{\rm e}x^3-{\rm e}x$,也可以直接证明此不等式,但积分可以得到这个不等式的样子,我们希望分子是一个三次函数.
解 对 $f(x)$ 求导得$$f'(x)=2{\rm e}({\rm e}^{x-1}-1)+a(1-2x),$$从而有 $f'(1)=-a,f''(x)=2({\rm e}^x-a)$.
当 $a\leqslant 0$ 时,$f''(x)>0$,$f'(x)$ 单调递增,从而 $f(x)$ 最多有两个单调区间,$f(x)$ 不可能有三个不同的零点;
当 $a>0$ 时,$f'(x)$ 先减后增,最小值为 $f'(\ln a)$,而 $f'(1)=-a<0$,所以 $f'(x)$ 一定有两个零点,记为 $m,n$,且有 $m<1<n$.
而当 $x\to -\infty$ 时,$f'(x)$ 可以取到正数;$x\to+\infty$ 时,$f'(x)$ 可以取到正数(严格来说,需要对 ${\rm e}^x$ 进行放缩以证明或者取出特殊点).
所以 $f(x)$ 在 $(-\infty,m)$ 上单调递增,在 $(m,n)$ 上单调递减,在 $(n,+\infty)$ 上单调递增,而 $f(1)=0$,所以 $f(m)>0,f(n)<0$,而 $f(x)$ 在 $x\to-\infty$ 时可以取到负值,在 $x\to+\infty$ 时可以取到正数(仍然需要严格处理函数),所以此时 $f(x)$ 一定有三个零点,所以 $a$ 的取值范围是 $(0,+\infty)$.
接下我们证明当 $a>0$ 时,函数 $g(x)$ 的图象与直线 $y=\dfrac 12a$ 恰好有两个公共点,它们的横坐标分别位于区间 $(-\infty,0)$ 和 $(1,+\infty)$.证明的关键在于在每个区间上,对于任意给定的正数 $m$,都存在比 $m$ 大的函数值以及比 $m$ 小的函数值.
在区间 $(-\infty,0)$ 上,由于$$\dfrac{1}{x^2-x}<\dfrac{{\rm e}^x-{\rm e}x}{x^2-x}<\dfrac{1-{\rm e}x}{x^2-x},$$而在区间 $(-\infty,0)$ 上,函数 $y=\dfrac{1}{x^2-x}$ 可以取到比 $m$ 大的函数值,而函数 $y=\dfrac{1-{\rm e}x}{x^2-x}$ 可以取到比 $m$ 小的函数值;
在区间 $(1,+\infty)$ 上,一方面由 ${\rm e}^x-{\rm e}x>0$ 积分两次可得$$\dfrac{{\rm e}^x-{\rm e}x}{x^2-x}>\dfrac{\dfrac 16{\rm e}x^3-{\rm e}x}{x^2-x},$$而在区间 $(1,+\infty)$ 上,函数 $y=\dfrac{\dfrac 16{\rm e}x^3-{\rm e}x}{x^2-x}$ 可以取到比 $m$ 大的函数值;另一方面,在区间 $(1,2)$ 上,有$$\dfrac{{\rm e}^x-{\rm e}x}{x^2-x}<\dfrac{{\rm e}x-{\rm e}}{x},$$而在区间 $(1,2)$ 上,函数 $y=\dfrac{{\rm e}x-{\rm e}}{x}$ 可以取到比 $m$ 小的函数值.
综上,实数 $a$ 的取值范围是 $(0,+\infty)$.
当 $a\leqslant 0$ 时,$f''(x)>0$,$f'(x)$ 单调递增,从而 $f(x)$ 最多有两个单调区间,$f(x)$ 不可能有三个不同的零点;
当 $a>0$ 时,$f'(x)$ 先减后增,最小值为 $f'(\ln a)$,而 $f'(1)=-a<0$,所以 $f'(x)$ 一定有两个零点,记为 $m,n$,且有 $m<1<n$.
而当 $x\to -\infty$ 时,$f'(x)$ 可以取到正数;$x\to+\infty$ 时,$f'(x)$ 可以取到正数(严格来说,需要对 ${\rm e}^x$ 进行放缩以证明或者取出特殊点).
所以 $f(x)$ 在 $(-\infty,m)$ 上单调递增,在 $(m,n)$ 上单调递减,在 $(n,+\infty)$ 上单调递增,而 $f(1)=0$,所以 $f(m)>0,f(n)<0$,而 $f(x)$ 在 $x\to-\infty$ 时可以取到负值,在 $x\to+\infty$ 时可以取到正数(仍然需要严格处理函数),所以此时 $f(x)$ 一定有三个零点,所以 $a$ 的取值范围是 $(0,+\infty)$.
题目
答案
解析
备注