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+
(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. |
(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 |
1 |
b |
1 |
b |
∴等价于方程
有解,∵F(x)≥F(0)=1,F(x)-b+
=3…①1 b F(x)-b+
=-3…②1 b
由①得,F(x)=3+b-
≥1,即1 b
>0,解得b>b2+2b-1 b
-1或-1-2
<b<0;2
由②得,F(x)=-3+b-
≥1,即1 b
>0,解得,b>2+b2-4b-1 b
或2-5
<b<0;5
综上得:b>2+
或2-5
<b<0;5
(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+lna,F(1)=a+1-lna,F(1)-F(-1)=a-1 a
-2lna,1 a
记g(t)=t-
-2lnt(t>0),1 t
∵g′(t)=1+
-1 t2
=(2 t
-1)2≥0(当t=1等号成立)1 t
∴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,
则|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
在(1,+∞)上恒大于0,x-1 x
∴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].