设函数 f(x)=ln x-a(x-1) e^ x,其中…——2019 高考数学第 20 题答案解析

2019_天津卷 (2019·文)

2019 天津 第 20 题 解答题 压轴题
2019_天津卷 (2019·文)

20.设函数 $f(x)=\ln x-a(x-1) e^{x}$ ,其中 $a \in R$ .
(I)若 $a \leq 0$ ,讨论 $f(x)$ 的单调性;
(II)若 $0<a<\frac{1}{e}$ ,
(i)证明 $f(x)$ 恰有两个零点
(ii)设 $x$ 为 $f(x)$ 的极值点,$x_{1}$ 为 $f(x)$ 的零点,且 $x_{1}>x_{0}$ ,证明 $3 x_{0}-x_{1}>2$ .

参考答案

(I)$f(x)$ 在 $(0,+\infty)$ 内单调递增.; (II)(i)见解析; (ii)见解析.

完整解析 · 逐步详解

【解答】
设函数 $f(x)=\ln x-a(x-1) e^{x}$ ,其中 $a \in R$ .
(I)若 $a \leq 0$ ,讨论 $f(x)$ 的单调性;
(II)若 $0<a<\frac{1}{e}$ ,
(i)证明 $f(x)$ 恰有两个零点
(ii)设 $x$ 为 $f(x)$ 的极值点,$x_{1}$ 为 $f(x)$ 的零点,且 $x_{1}>x_{0}$ ,证明 $3 x_{0}-x_{1}>2$ .
【答案】(I)$f(x)$ 在 $(0,+\infty)$ 内单调递增.;
(II)(i)见解析;
(ii)见解析.

【解析】
【分析】
(I);首先写出函数的定义域,对函数求导,判断导数在对应区间上的符号,从而得到结果;
(II)(i)对函数求导,确定函数的单调性,求得极值的符号,从而确定出函数的零点个数,得到结果;
(ii)首先根据题意,列出方程组,借助于中介函数,证得结果.
【详解】(I)解:由已知,$f(x)$ 的定义域为 $(0,+\infty)$ ,
且 $f^{\prime}(x)=\frac{1}{x}-\left[a e^{x}+a(x-1) e^{x}\right]=\frac{1-a x^{2} e^{x}}{x}$ ,

因此当 $a \leq 0$ 时, $1-a x^{2} e^{x}>0$ ,从而 $f^{\prime}(x)>0$ ,
所以 $f(x)$ 在 $(0,+\infty)$ 内单调递增.
(II)证明:(i)由(I)知,$f^{\prime}(x)=\frac{1-a x^{2} e^{x}}{x}$ ,
令 $g(x)=1-a x^{2} e^{x}$ ,由 $0<a<\frac{1}{e}$ ,可知 $g(x)$ 在 $(0,+\infty)$ 内单调递减,
又 $g(1)=1-a e>0$ ,且 $g\left(\ln \frac{1}{a}\right)=1-a\left(\ln \frac{1}{a}\right)^{2} \frac{1}{a}=1-\left(\ln \frac{1}{a}\right)^{2}<0$ ,

故 $g(x)=0$ 在 $(0,+\infty)$ 内有唯一解,
从而 $f^{\prime}(x)=0$ 在 $(0,+\infty)$ 内有唯一解,不妨设为 $x_{0}$ ,
则 $1<x_{0}<\ln \frac{1}{a}$ ,当 $x \in\left(0, x_{0}\right)$ 时,$f^{\prime}(x)=\frac{g(x)}{x}>\frac{g\left(x_{0}\right)}{x}=0$ ,
所以 $f(x)$ 在 $\left(0, x_{0}\right)$ 内单调递增;
当 $x \in\left(x_{0},+\infty\right)$ 时,$f^{\prime}(x)=\frac{g(x)}{x}<\frac{g\left(x_{0}\right)}{x}=0$ ,
所以 $f(x)$ 在 $\left(\boldsymbol{x}_{\mathbf{0}},+\infty\right)$ 内单调递减,

因此 $x_{0}$ 是 $f(x)$ 的唯一极值点.
令 $h(x)=\ln x-x+1$ ,则当 $x>1$ 时,$h^{\prime}(x)=\frac{1}{x}-1<0$ ,故 $h(x)$ 在 $(1,+\infty)$ 内单调递减,
从而当 $x>1$ 时,$h(x)<h(1)=0$ ,所以 $\ln x<x-1$ ,

从而 $f\left(\ln \frac{1}{a}\right)=\ln \ln \frac{1}{a}-a\left(\ln \frac{1}{a a}-1\right) e^{\ln \frac{1}{a}}=\ln \ln \frac{1}{a}-\ln \frac{1}{a}+1=h\left(\ln \frac{1}{a}\right)<0$ ,
又因为 $f\left(x_{0}\right)>f(1)=0$ ,所以 $f(x)$ 在 $\left(\boldsymbol{x}_{\mathbf{0}},+\infty\right)$ 内有唯一零点,

又 $f(x)$ 在 $\left(0, x_{0}\right)$ 内有唯一零点 1 ,从而,$f(x)$ 在 $(0,+\infty)$ 内恰有两个零点.
(ii)由题意,$\left\{\begin{array}{l}f^{\prime}\left(x_{0}\right)=0 \\ f\left(x_{1}\right)=0\end{array}\right.$ ,即 $\left\{\begin{array}{l}a x_{0}{ }^{2} e^{x_{0}=1} \\ \ln x_{1}=a\left(x_{1}-1\right) e^{x_{1}}\end{array}\right.$ ,
从而 $\ln x_{1}=\frac{x_{1}-1}{x_{0}{ }^{2}} e^{x_{1}-x_{0}}$ ,即 $e^{x_{1}-x_{0}}=\frac{x_{0}{ }^{2} \ln x_{1}}{x_{1}-1}$ ,
以内当 $x>1$ 时, $\ln x<x-1$ ,又 $x_{1}>x_{0}>1$ ,故 $e^{x_{1}-x_{0}}<\frac{x_{0}^{2}\left(x_{1}-1\right)}{x_{1}-1}=x_{0}^{2}$ ,
两边取对数,得 $\ln e^{x_{1}-x_{0}}<\ln x_{0}{ }^{2}$ ,

于是 $x_{1}-x_{0}<2 \ln x_{0}<2\left(x_{0}-1\right)$ ,整理得 $3 x_{0}-x_{1}>2$ ,
【点睛】本小题主要考查导数的运算、不等式证明、运用导数研究函数的性质等基础知识和方法,考查函数思想、化归与转化思想,考查综合分析问题和解决问题的能力。

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