20、(本小题满分 16 分)
设函数 $f(x)=\ln x-a x, g(x)=e^{x}-a x$ ,其中 $a$ 为实数。
(1)若 $f(x)$ 在 $(1,+\infty)$ 上是单调减函数,且 $g(x)$ 在 $(1,+\infty)$ 上有最小值,求 $a$ 的取值范围
(2)若 $g(x)$ 在 $(-1,+\infty)$ 上是单调增函数,试求 $f(x)$ 的零点个数,并证明你的结论。
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2013_江苏卷 (2013)
20、(本小题满分 16 分)
设函数 $f(x)=\ln x-a x, g(x)=e^{x}-a x$ ,其中 $a$ 为实数。
(1)若 $f(x)$ 在 $(1,+\infty)$ 上是单调减函数,且 $g(x)$ 在 $(1,+\infty)$ 上有最小值,求 $a$ 的取值范围
(2)若 $g(x)$ 在 $(-1,+\infty)$ 上是单调增函数,试求 $f(x)$ 的零点个数,并证明你的结论。
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(1)由 $f(x)=\ln x-ax$,得 $f'(x)=\frac{1}{x}-a$。
因为 $f(x)$ 在 $(1,+\infty)$ 上单调递减,所以 $f'(x) \leqslant 0$ 在 $(1,+\infty)$ 上恒成立,即 $a \geqslant \frac{1}{x}$。
由于 $x > 1$,则 $0 < \frac{1}{x} < 1$,故需 $a \geqslant 1$。
由 $g(x)=e^x-ax$,得 $g'(x)=e^x-a$。
若 $g(x)$ 在 $(1,+\infty)$ 上有最小值,则 $g(x)$ 不能在该区间单调递增。
若 $a \leqslant e$,当 $x > 1$ 时,$e^x > e \geqslant a$,即 $g'(x) > 0$,此时 $g(x)$ 在 $(1,+\infty)$ 单调递增,无最小值,不合题意。
若 $a > e$,令 $g'(x)=0$,解得 $x=\ln a$。因为 $a > e$,所以 $\ln a > 1$。
当 $x \in (1, \ln a)$ 时,$g'(x) < 0$,$g(x)$ 单调递减;
当 $x \in (\ln a, +\infty)$ 时,$g'(x) > 0$,$g(x)$ 单调递增。
此时 $g(x)$ 在 $x=\ln a$ 处取得极小值,也是最小值,符合题意。
综上,$a$ 的取值范围是 $(e, +\infty)$。
(2)由 $g(x)$ 在 $(-1,+\infty)$ 上单调递增,得 $g'(x)=e^x-a \geqslant 0$ 在 $(-1,+\infty)$ 上恒成立,即 $a \leqslant e^x$。
因为 $x > -1$,所以 $e^x > e^{-1} = \frac{1}{e}$,故 $a \leqslant \frac{1}{e}$。
对于 $f(x)=\ln x - ax$ ($x>0$),$f'(x)=\frac{1}{x}-a=\frac{1-ax}{x}$。
① 当 $a=0$ 时,$f(x)=\ln x$,由 $\ln x=0$ 得 $x=1$,有 1 个零点。
② 当 $a < 0$ 时,因为 $x>0$,所以 $-ax > 0$,$\frac{1}{x} > 0$,故 $f'(x) > 0$ 恒成立。
$f(x)$ 在 $(0,+\infty)$ 上单调递增。
又 $\lim_{x \to 0^+} f(x) = -\infty$,$\lim_{x \to +\infty} f(x) = +\infty$(因为 $-ax \to +\infty$),
由零点存在性定理及单调性可知,$f(x)$ 有且仅有 1 个零点。
③ 当 $0 < a \leqslant \frac{1}{e}$ 时,令 $f'(x)=0$,得 $x=\frac{1}{a}$。
当 $x \in (0, \frac{1}{a})$ 时,$f'(x) > 0$,$f(x)$ 单调递增;
当 $x \in (\frac{1}{a}, +\infty)$ 时,$f'(x) < 0$,$f(x)$ 单调递减。
所以 $f(x)_{\max} = f(\frac{1}{a}) = \ln \frac{1}{a} - a \cdot \frac{1}{a} = -\ln a - 1$。
若 $a = \frac{1}{e}$,则 $f(x)_{\max} = -\ln(e^{-1}) - 1 = 1 - 1 = 0$。
此时最大值为 0,故 $f(x)$ 有且仅有 1 个零点 $x=e$。
若 $0 < a < \frac{1}{e}$,则 $\ln a < -1$,$-\ln a > 1$,故 $f(x)_{\max} = -\ln a - 1 > 0$。
又 $\lim_{x \to 0^+} f(x) = -\infty$,$\lim_{x \to +\infty} f(x) = -\infty$(因为 $a>0$,$-ax$ 主导趋向负无穷)。
由零点存在性定理,在 $(0, \frac{1}{a})$ 和 $(\frac{1}{a}, +\infty)$ 上各有一个零点,共 2 个零点。
综上所述:
当 $a < 0$ 或 $a = \frac{1}{e}$ 时,$f(x)$ 有 1 个零点;
当 $0 < a < \frac{1}{e}$ 时,$f(x)$ 有 2 个零点。
只讲你不懂的那一步,不用把整道题重讲一遍。答案和完整解析就在上面,不用聊天也能看。
可以再试一道相同方法、不同题面的题,确认是否真正掌握。
用 3 道相关题确认基础和中等变式会到哪一步。