问题 解答题
已知函数f(x)=ax+x2,g(x)=xlna.a>1.
(I)求证函数F(x)=f(x)-g(x)在(0,+∞)上单调递增;
(II)若函数y=|F(x)-b+
1
b
|-3
有四个零点,求b的取值范围;
(III)若对于任意的x1,x2∈[-1,1]时,都有|F(x2)-F(x1)|≤e2-2恒成立,求a的取值范围.
答案

(I)证明:∵函数f(x)=ax+x2,g(x)=xlna,

F(x)=ax+x2-xlna

求导函数,可得F′(x)=axlna+2x-lna=2x+(ax-1)lna,

由于a>1,

∴lna>0,当x>0时,ax-1>0,

∴F′(x)>0,故函数F(x)在(0,+∞)上单调递增.

(Ⅱ)令F′(x)=2x+(ax-1)lna=0,得到x=0,

F′′(x)=ax(lna)2+2>0,F′(x)为单调增函数,说明x=0是唯一的极值点,也是最小值点;F(0)=1,

∵F′(0)=0,∴当x<0时,F′(x)<0,为减函数;

F(x),F′(x)的变化情况如下表:

x(-∞,0)0(0,+∞)
F′(x)-0+
F(x)递减极小值1递增
∵函数y=|F(x)-b+
1
b
|-3
=0,也即|F(x)-b+
1
b
|=3
,有四个零点;

∴等价于方程

F(x)-b+
1
b
=3…①
F(x)-b+
1
b
=-3…②
有解,∵F(x)≥F(0)=1,

由①得,F(x)=3+b-

1
b
≥1,即
b2+2b-1
b
>0
,解得b>
2
-1或-1-
2
<b<0;

由②得,F(x)=-3+b-

1
b
≥1,即
b2-4b-1
b
>0
,解得,b>2+
5
或2-
5
<b<0;

综上得:b>2+

5
或2-
5
<b<0;

(Ⅲ)问题等价于F(x)在[-1,1]的最大值与最小值之差小于等于e2-2.

由(Ⅱ)可知F(x)在[-1,0]上递减,在[0,1]上递增,

∴F(x)的最小值为F(0)=1,最大值等于F(-1),F(1)中较大的一个,

F(-1)=

1
a
+1+lna,F(1)=a+1-lna,F(1)-F(-1)=a-
1
a
-2lna,

记g(t)=t-

1
t
-2lnt(t>0),

∵g′(t)=1+

1
t2
-
2
t
=(
1
t
-1
2≥0(当t=1等号成立)

∴g(t)在t∈(0,+∞)上单调递增,而g(1)=0,

所以当t>1时,g(t)>0;当0<t<1时,g(t)<0,

也就是当t>1时,F(1)-F(-1)>0,即F(1)>F(-1);

又由a>1时,则F(x)的最小值为F(0)=1,最大值为F(1)=a+1-lna,

|F(x2)-F(x1)|≤e2-2⇒F(1)-F(0)=a-lna≤e2-2,

令h(x)=x-lnx(x>1),h′(x)=1-

1
x
=
x-1
x
在(1,+∞)上恒大于0,

∴h(x)在(1,+∞)上单调递增,又a>1,∴h(a)=a-lna≤e2-2=h(e2

解得a≤e2

则a的取值范围为a∈(1,e2].

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