问题 解答题
已知函数f(x)=
x2+2x+a,x<0
lnx,x>0
,其中a是实数.设A(x1,f(x1)),B(x2,f(x2))为该函数图象上的两点,且x1<x2
(Ⅰ)指出函数f(x)的单调区间;
(Ⅱ)若函数f(x)的图象在点A,B处的切线互相垂直,且x2<0,证明:x2-x1≥1;
(Ⅲ)若函数f(x)的图象在点A,B处的切线重合,求a的取值范围.
答案

(I)函数f(x)的单调减区间(-∞,-1),函数f(x)的单调增区间[-1,0),(0,+∞);

(II)由导数的几何意义知,点A处的切线的斜率为f′(x1),点B处的切线的斜率为f′(x2),

函数f(x)的图象在点A,B处的切线互相垂直时,有f′(x1)f′(x2)=-1,

当x<0时,(2x1+2)(2x2+2)=-1,∵x1<x2<0,∴2x1+2<0,2x2+2>0,

∴x2-x1=

1
2
[-(2x1+2)+(2x2+2)]≥
[-(2x1+2)](2x2+2)
=1,

∴若函数f(x)的图象在点A,B处的切线互相垂直,有x2-x1≥1;

(III)当x1<x2<0,或0<x1<x2时,f′(x1)≠f′(x2),故x1<0<x2

当x1<0时,函数f(x)在点A(x1,f(x1))处的切线方程为y-(x 12+2x1+a)=(2x1+2)(x-x1);

当x2>0时,函数f(x)在点B(x2,f(x2))处的切线方程为y-lnx2=

1
x2
(x-x2);

两直线重合的充要条件是

1
x2
=2x1+2   ①
lnx2-1=-
x21
+a   ②

由①及x1<0<x2得0<

1
x2
<2,由①②得a=lnx2+(
1
2x2
-1
2-1=-ln
1
x2
+
1
4
1
x2
-2
2-1,

令t=

1
x2
,则0<t<2,且a=
1
4
t2-t-lnt,设h(t)=
1
4
t2-t-lnt,(0<t<2)

则h′(t)=

1
2
t-1-
1
t
=
(t-1)2-3
2t
<0
,∴h(t)在(0,2)为减函数,

则h(t)>h(2)=-ln2-1,∴a>-ln2-1,

∴若函数f(x)的图象在点A,B处的切线重合,a的取值范围(-ln2-1,+∞).

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