问题 解答题

已知函数f(x)=ex-1-ax,(a∈R).

(Ⅰ)求函数y=f(x)的单调区间;

(Ⅱ)试探究函数F(x)=f(x)-xlnx在定义域内是否存在零点,若存在,请指出有几个零点;若不存在,请说明理由.

(Ⅲ)若g(x)=ln(ex-1)-lnx,且f(g(x))<f(x)在x∈(0,+∞)上恒成立,求实数a的取值范围.

答案

(Ⅰ)∵f(x)=ex-1-ax,(x∈R,a∈R),

∴f′(x)=ex-a,

①当a≤0时,则∀x∈R有f′(x)>0,

∴函数f(x)在区间(-∞,+∞)单调递增;

②当a>0时,f′(x)>0⇒x>lna,f′(x)<0⇒x<lna

∴函数f(x)的单调增区间为(lna,+∞),单调减区间为(-∞,lna).

综合①②的当a≤0时,函数f(x)的单调增区间为(-∞,+∞);

当a>0时,函数f(x)的单调增区间为(lna,+∞),单调减区间为(-∞,lna).

(Ⅱ)函数F(x)=f(x)-xlnx定义域为(0,+∞),

F(x)=0⇒a=

ex-1
x
-lnx,x>0,

令h(x)=

ex-1
x
-lnx,x>0,

则h′(x)=

(ex-1)(x-1)
x2
,x>0,

∴h′(x)>0⇒x>1,

h′(x)<0⇒0<x<1,

∴函数h(x)在(0,1)上单调递减,在(1,+∞)上单调递增.

∴h(x)≥h(1)=e-1

由(1)知当a=1时,对∀x>0,有f(x)>f(lna)=0,

ex-1>x⇔

ex-1
x
>1

∴当x>0且x趋向0时,h(x)趋向+∞

随着x>0的增长,y=ex-1的增长速度越来越快,会超过并远远大于y=x2的增长速度,而y=lnx的增长速度则会越来越慢.

故当x>0且x趋向+∞时,h(x)趋向+∞.得到函数h(x)的草图如图所示

故①当a>e-1时,函数F(x)有两个不同的零点;

②当a=e-1时,函数F(x)有且仅有一个零点;

③当a<e-1时,函数F(x)无零点;

(Ⅲ)由(2)知当x>0时,ex-1>x,故对∀x>0,g(x)>0,

先分析法证明:∀x>0,g(x)<x

要证∀x>0,g(x)<x

只需证∀x>0,

ex-1
x
ex

即证∀x>0,xex-ex+1>0

构造函数H(x)=xex-ex+1,(x>0)

∴H′(x)=xex>0,∀x>0

故函数H(x)=xex-ex+1在(0,+∞)单调递增,

∴H(x)>H(0)=0,

则∀x>0,xex-ex+1>0成立.

①当a≤1时,由(1)知,函数f(x)在(0,+∞)单调递增,

则f(g(x))<f(x)在x∈(0,+∞)上恒成立.

②当a>1时,由(1)知,函数f(x)在(lna,+∞)单调递增,在(0,lna)单调递减,

故当0<x<lna时,0<g(x)<x<lna,

∴f(g(x))>f(x),则不满足题意.

综合①②得,满足题意的实数a的取值范围(-∞,1].

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