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- 2021-06-16 发布
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利用导数解决函数的零点问题
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1.(2019·全国卷Ⅱ)已知函数f(x)=ln x-.
(1)讨论f(x)的单调性,并证明f(x)有且仅有两个零点;
(2)设x0是f(x)的一个零点,证明曲线y=ln x在点A(x0,ln x0)处的切线也是曲线y=ex的切线.
[解] (1)f(x)的定义域为(0,1)∪(1,+∞).
因为f′(x)=+>0,所以f(x)在(0,1),(1,+∞)单调递增.
因为f(e)=1-<0,f(e2)=2-=>0,所以f(x)在(1,+∞)有唯一零点x1(e<x1<e2),即f(x1)=0.又0<<1,f=-ln x1+=-f(x1)=0,故f(x)在(0,1)有唯一零点.
综上,f(x)有且仅有两个零点.
(2)因为=e-ln x0,故点B在曲线y=ex上.
由题设知f(x0)=0,即ln x0=,连接AB,则直线AB的斜率
k===.
曲线y=ex在点B处切线的斜率是,曲线y=ln x在点A(x0,ln x0)处切线的斜率也是,所以曲线y=ln x在点A(x0,ln x0)处的切线也是曲线y=ex的切线.
2.(2019·武汉调研)已知函数f(x)=ex-ax-1(a∈R)(e=2.718 28…
是自然对数的底数).
(1)求f(x)的单调区间;
(2)讨论g(x)=f(x)在区间[0,1]上零点的个数.
[解] (1)因为f(x)=ex-ax-1,
所以f′(x)=ex-a,
当a≤0时,f′(x)>0恒成立,
所以f(x)的单调递增区间为(-∞,+∞),无单调递减区间;
当a>0时,令f′(x)<0,
得x<ln a,
令f′(x)>0,得x>ln a,
所以f(x)的单调递减区间为(-∞,ln a),单调递增区间为(ln a,+∞).
(2)令g(x)=0,得f(x)=0或x=,
先考虑f(x)在区间[0,1]上的零点个数,
当a≤1时,f(x)在(0,+∞)上单调递增且f(0)=0,所以f(x)在[0,1]上有一个零点;
当a≥e时,f(x)在(-∞,1)上单调递减,所以f(x)在[0,1]上有一个零点;
当1<a<e时,f(x)在(0,ln a)上单调递减,在(ln a,1)上单调递增,
而f(1)=e-a-1,当e-a-1≥0,即1<a≤e-1时,f(x)在[0,1]上有两个零点,
当e-a-1<0,即e-1<a<e时,f(x)在[0,1]上有一个零点.
当x=时,由f=0得a=2(-1),
所以当a≤1或a>e-1或a=2(-1)时,g(x)在[0,1]上有两个零点;
当1<a≤e-1且a≠2(-1)时,g(x)在[0,1]上有三个零点.
3.(2019·唐山模拟)已知函数f(x)=-4ax+aln x+3a2+2a(a>0).
(1)讨论f(x)的单调性;
(2)若f(x)有两个极值点x1,x2,当a变化时,求f(x1)+f(x2)的最大值.
[解] (1)函数f(x)的定义域为x>0,对f(x)求导得f′(x)=x-4a+=
eq f(x2-4ax+a,x),x>0,a>0.
令M(x)=x2-4ax+a,
则Δ=16a2-4a=4a(4a-1).
①当0<a≤时,Δ≤0,M(x)≥0在(0,+∞)上恒成立,则f′(x)≥0,f(x)在(0,+∞)上单调递增;
②当a>时,Δ>0,f′(x)=0的根为x1=2a-,x2=2a+,
由f′(x)>0得0<x<2a-或x>2a+;
由f′(x)<0得2a-<x<2a+.
所以f(x)在(0,2a-),(2a+,+∞)
上单调递增;在(2a-,2a+)上单调递减.
(2)由(1)得a>,x1=2a-,x2=2a+,
所以x1+x2=4a,x1x2=a,从而
f(x1)+f(x2)=(x+x)-4a(x1+x2)+aln x1x2+6a2+4a=(x1+x2)2-x1x2-10a2+4a+aln a
=aln a-2a2+3a.
令g(a)=aln a-2a2+3a,则g′(a)=ln a-4a+4.
令h(a)=ln a-4a+4,
则h′(a)=-4.
因为a>,所以h′(a)<0,所以h(a)在上单调递减.
又h(1)=0,所以a∈时,h(a)>0,g′(a)>0,g(a)在上单调递增;
a∈(1,+∞)时,h(a)<0,g′(a)<0,g(a)在(1,+∞)上单调递减,所以a=1时,g(a)取得最大值1.
故f(x1)+f(x2)的最大值为1.
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