问题 解答题
已知函数f(x)=x2lnx.
(Ⅰ)求函数f(x)的单调区间;
(Ⅱ)证明:对任意的t>0,存在唯一的s,使t=f(s).
(Ⅲ)设(Ⅱ)中所确定的s关于t的函数为s=g(t),证明:当t>e2时,有
2
5
lng(t)
lnt
1
2
答案

(Ⅰ)由题意可知函数的定义域为(0,+∞),

求导数可得f′(x)=2xlnx+x2

1
x
=2xlnx+x=x(2lnx+1),

令f′(x)=0,可解得x=

1
e

当x变化时,f′(x),f(x)的变化情况如下表:

 x(0,
1
e
) 
 
1
e
( 
1
e
,+∞)
 f′(x)- 0+
 f(x)单调递减极小值 单调递增 
所以函数f(x)的单调递减区间为(0,
1
e
),单调递增区间为( 
1
e
,+∞)

(Ⅱ)证明:当0<x≤1时,f(x)≤0,设t>0,令h(x)=f(x)-t,x∈[1,+∞),

由(Ⅰ)可知,h(x)在区间(1,+∞)单调递增,h(1)=-t<0,h(et)=e2tlnet-t=t(e2t-1)>0,

故存在唯一的s∈(1,+∞),使得t=f(s)成立;

(Ⅲ)证明:因为s=g(t),由(Ⅱ)知,t=f(s),且s>1,

从而

lng(t)
lnt
=
lns
lnf(s)
=
lns
ln(s2lns)
=
lns
2lns+lnlns
=
u
2u+lnu
,其中u=lns,

要使

2
5
lng(t)
lnt
1
2
成立,只需0<lnu<
u
2

当t>e2时,若s=g(t)≤e,则由f(s)的单调性,有t=f(s)≤f(e)=e2,矛盾,

所以s>e,即u>1,从而lnu>0成立,

另一方面,令F(u)=lnu-

u
2
,u>1,F′(u)=
1
u
-
1
2

令F′(u)=0,可解得u=2,

当1<u<2时,F′(u)>0,当u>2时,F′(u)<0,

故函数F(u)在u=2处取到极大值,也是最大值F(2)=ln2-1<0,

故有F(u)=lnu-

u
2
<0,即lnu<
u
2

综上可证:当t>e2时,有

2
5
lng(t)
lnt
1
2
成立.

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