问题 解答题
对于定义在区间D上的函数f(x)和g(x),如果对于任意x∈D,都有|f(x)-g(x)|≤1成立,那么称函数f(x)在区间D上可被函数g(x)替代.
(1)若f(x)=
x
2
-
1
x
,g(x)=lnx
,试判断在区间[[1,e]]上f(x)能否被g(x)替代?
(2)记f(x)=x,g(x)=lnx,证明f(x)在(
1
m
,m)(m>1)
上不能被g(x)替代;
(3)设f(x)=alnx-ax,g(x)=-
1
2
x2+x
,若f(x)在区间[1,e]上能被g(x)替代,求实数a的范围.
答案

(1)∵f(x)-g(x)=

x
2
-
1
x
-lnx,

h(x)=

x
2
-
1
x
-lnx,

h′(x)=

1
2
+
1
x2
-
1
x
=
x2+2-2x
2x2
>0,

∴h(x)在[1,e]上单调增,

h(x)∈[-

1
2
e
2
-
1
e
-1].

∴|f(x)-g(x)|≤1,即在区间[[1,e]]上f(x)能被g(x)替代.

(2)记k(x)=f(x)-g(x)=x-lnx,可得k/(x)=

x-1
x

1
m
<x<1时,k′(x)<0,在区间(
1
m
,1)
上函数k(x)为减函数,

当1<x<m时,k′(x)>0,在区间(1,m)上函数k(x)为增函数

∴函数k(x)在区间的最小值为k(1)=1,最大值是k(m)>1,

所以不满足对于任意x∈D,都有|f(x)-g(x)|≤1成立,

故f(x)在(

1
m
,m)(m>1)上不能被g(x)替代;

(3)∵f(x)在区间[1,e]上能被g(x)替代,

即|f(x)-g(x)|≤1对于x∈[1,e]恒成立.

|alnx-ax+

1
2
x2-x|≤1.-1≤alnx-ax+
1
2
x2-x≤1

由(2)知,当x∈[1,e]时,x-lnx>0恒成立,

∴有a≤

1
2
x2-x+1
x-lnx

F(x)=

1
2
x2-x+1
x-lnx

F′(x)=

(x-1)(x-lnx)-(1-
1
x
)(
1
2
x2-x+1)
(x-lnx)2
=
(x-1)(
1
2
x+1-lnx-
1
x
)
(x-lnx)2

由(1)的结果可知

1
2
x+1-lnx-
1
x
>0,

∴F'(x)恒大于零,

a≤

1
2

a≥

1
2
x2-x-1
x-lnx

G(x)=

1
2
x2-x-1
x-lnx

G′(x)=

(x-1)(x-lnx)-(1-
1
x
)(
1
2
x2-x-1)
(x-lnx)2
=
(x-1)(
1
2
x+1-lnx+
1
x
)
(x-lnx)2

1
2
x+1-lnx+
1
x
1
2
x+1-lnx-
1
x
>0,

∴G'(x)恒大于零,

a≥

e2-2e-2
2(e-1)

即实数a的范围为

e2-2e-2
2(e-1)
≤a≤
1
2

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