已知函数 $f(x)=\dfrac ax-x$,对任意 $x\in (0,1)$,有 $f(x)\cdot f(1-x)\geqslant 1$ 恒成立,则实数 $a$ 的取值范围为
【难度】
【出处】
2013年全国高中数学联赛四川省预赛
【标注】
  • 题型
    >
    不等式
    >
    恒成立与存在性问题
  • 知识点
    >
    代数变形
    >
    代数式的形
    >
    换元
    >
    对称换元
【答案】
$\left(-\infty,-\dfrac 14\right]\cup\left[1,+\infty \right)$
【解析】
记 $y=1-x\in(0,1)$,则\[\begin{split}f(x)\cdot f(1-x)&=f(x)f(y)\\&=\left(\dfrac{a}{x}-x\right)\left(\dfrac{a}{y}-y\right)\\&=\dfrac{x^{2}y^{2}-a(x^{2}+y^{2})+a^{2}}{xy}\\&=\dfrac{(xy)^{2}-a\left[(x+y)^{2}-2xy\right]+a^{2}}{xy}.\end{split}\]令 $xy=t$,则 $t\in\left(0,\dfrac{1}{4}\right]$,令\[g(t)=f(x)\cdot f(1-x)=\dfrac{t^{2}-a(1-2t)+a^{2}}{t}\geqslant 1,\]即$$t^{2}+(2a-1)t+a^{2}-a\geqslant 0.$$情形一 若 $\dfrac{1}{2}-a\leqslant 0$,即 $\dfrac{1}{2}\leqslant a$,只需 $g(0)\geqslant 0$,即$$a^{2}-a\geqslant 0,$$解得 $a\geqslant 1$.
情形二 若 $0<\dfrac{1}{2}-a\leqslant \dfrac{1}{4}$,即 $\dfrac{1}{4}\leqslant a<\dfrac{1}{2}$,只需$$g\left(\dfrac{1}{2}-a\right)\geqslant a,$$无解.
情形三 若 $\dfrac{1}{2}-a>\dfrac{1}{4}$,即 $a<\dfrac{1}{4}$,只需 $g\left(\dfrac{1}{4}\right)\geqslant 0$,即$$\left(a-\dfrac{1}{4}\right)^{2}\geqslant \dfrac{1}{4},$$解得 $a\leqslant -\dfrac{1}{4}$.
因此实数 $a$ 的取值范围为 $\left(-\infty,-\dfrac 14\right]\cup[1,+\infty)$.
题目 答案 解析 备注
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