(2022年北京高考)已知函数f(x)=exln(1+x).
(I)求曲线y=f(x)在点(0,f(0))处的切线方程;
(II)设g(x)=f′(x),讨论函数g(x)在[0,+∞)上的单调性;
(II)证明:对任意的s,t∈(0,+∞),有f(s+t)>f(s)+f(t).
解.(I)由于f′(x)=ex[ln(1+x)+11+x],则f′(0)=1.又f(0)=0,故曲线y=f(x)在点(0,f(0))处的切线方程为y=x.
(II)因为g(x)=f′(x)=ex[ln(1+x)+11+x],则
g′(x)=ex[ln(1+x)+21+x−1(1+x)2].
令
h(x)=ln(1+x)+21+x−1(1+x)2,
则
h′(x)=11+x−2(1+x)2+2(1+x)3=x2+1(1+x)3>0.
故h(x)在[0,+∞)上单调递增,则h(x)⩾h(0)=1>0,
则g′(x)>0,故函数g(x)在[0,+∞)上单调递增.
(II)令
F(s)=f(s+t)−f(s)−f(t),
由函数g(x)=f′(x)在[0,+∞)上单调递增可知
F′(s)=f′(s+t)−f′(s)>0
故F(s)>F(0)=0,即f(s+t)>f(s)+f(t).
(2022年新高考二卷)已知函数f(x)=xeax−ex.
(1)当a=1时,讨论f(x)的单调性;
(2)当x>0时, f(x)<−1,求实数a的取值范围;
(3)设n∈N∗,证明:
1√12+1+1√22+2+⋯+1√n2+n>ln(n+1).
解. (1)当a=1时, f(x)=xex−ex=(x−1)ex,
则f′(x)=xex.故f(x)在(−∞,0)上单调递减,在(0,+∞)上单调递增.
(2)先证明xex/2−ex<−1.
这等价于
x−ex/2<−e−x/2,ex/2−e−x/2−x>0
令g(x)=ex/2−e−x/2−x,
则g′(x)=12(ex/2+e−x/2)−1>12⋅2√ex/2⋅e−x/2−1=0.故g(x)>g(0)=0.
若a⩽12,则xeax−ex<xex/2−ex<−1.
若a>12且a≠1,则xeax−ex<−1⇔e(1−a)x−e−ax−x>0.
令h(x)=e(1−a)x−e−ax−x,则
h′(x)=(1−a)e(1−a)x+ae−ax−1,
而
h′′(x)=(1−a)2e(1−a)x−a2e−ax=e−ax[(1−a)2ex−a2].
则当0<x<lna2(1−a)2时, h′′(x)<0,
此时h′(x)<h′(0)=0,则h(x)<h(0)=0,矛盾.
若a=1,则f(x)=(x−1)ex,显然f(2)=e2>−1,矛盾.
综上所述, a⩽12.
解法二.令h(x)=xeax−ex+1,则
h′(x)=(1+ax)eax−ex,
而
h′(x)=(1+ax)eax−ex=eax(1+ax−e(1−a)x),
令F(x)=1+ax−e(1−a)x,
则F′(x)=a−(1−a)e(1−a)x.
若a⩽12,
F′(x)=a−(1−a)e(1−a)x<a−(1−a)=2a−1⩽0,
此时F(x)<F(0)=0,h′(x)<0,则h(x)<h(0)=0.
若12<a<1,当0<x<11−alna1−a时F′(x)>0,此时F(x)>F(0)=0,h′(x)>0,则h(x)>h(0)=0,矛盾.
若a⩾1,则f(x)=xeax−ex⩾xex−ex=(x−1)ex,故f(2)⩾e2>−1,矛盾.
综上所述, a⩽12.
(3)只需证明
1√n2+n>ln(n+1)−lnn,
之后累加即可.即证
ln(1+1n)<1n√1+1n.
利用(2)中的结论,当a=12时,有
xex/2−ex<−1,x<ex/2−e−x/2.
将x换成ln(1+x),便有
ln(1+x)<√1+x−1√1+x=x√1+x.
再取x=1n可得
ln(1+1n)<1n√1+1n=1√n2+n.
于是
1√12+1+1√22+2+⋯+1√n2+n>(ln2−ln1)+(ln3−ln2)+⋯+ln(n+1)−lnn=ln(n+1).
(2022年高考甲卷)已知函数f(x)=exx−lnx+x−a.
(1)若f(x)⩾0,求a的取值范围;
(2)证明:若f(x)有两个零点x1,x2,则x1x2<1.
解. (1)首先注意到
f(x)=exx−lnx+x−a=ex−lnx−lnx+x−a,
令u=x−lnx⩾1,要使f(x)⩾0,只需g(u)=eu+u−a⩾0,则e+1−a⩾0,即a⩽e+1.
(2)由f(x)=0可知g(u)=0,则a>e+1.
设g(u0)=0,则x−lnx=u0>1有两个不同零点x1,x2,则
x1−lnx1=u0,x2−lnx2=u0.于是x1−x2=lnx1−lnx2.
利用对数平均不等式
√x1x2<x1−x2lnx1−lnx2=1,
于是x1x2<1.
(2022年新高考一卷)设a=0.1e0.1,b=19,c=−ln0.9,则( )
(A) a<b<c
(B) c<b<a
(C) c<a<b
(D) a<c<b
在x1+x<ln(1+x)中取x=19可得0.1<ln109,则e0.1<109,0.1e0.1<19,故a<b.
或者在lnx<x−1中取x=0.9亦可.
考虑
a−c=0.1e0.1+ln0.9=0.1e0.1+ln(1−0.1),
令f(x)=xex+ln(1−x),则
f′(x)=(x+1)ex+1x−1=(1−x2)ex−11−x,
令g(x)=(1−x2)ex−1,则g′(x)=(1−2x−x2)ex,
当0⩽x⩽0.1时, 1−2x−x2>0,则g′(x)>0,此时g(x)⩾g(0)=0,即f′(x)⩾0.
因此f(x)在区间[0,0.1]上递增,故f(0.1)>f(0)=0,故a−c>0,a>c.
综上所述, b>a>c,答案为C选项.
(2022年新高考一卷)
已知函数f(x)=ex−ax和g(x)=ax−lnx有相同的最小值.
(1)求a;
(2)证明:存在直线y=b,其与两条曲线y=f(x)和y=g(x)共有三个不同的交点,并且从左到右的三个交点的横坐标成等差数列.
解. (1)若a⩽0,则f(x)=ex−ax单调递增,无最小值.
若a>0, f′(x)=ex−a,g′(x)=a−1x,则
[f(x)]min=f(lna)=a−alna=[g(x)]min=g(1a)=1+lna,
即
(a+1)lna−a+1=0,lna−a−1a+1=0.
令h(a)=lna−a−1a+1,
则h′(a)=1a−2(a+1)2=a2+1a(a+1)2>0.
故h(a)在(0,+∞)上单调递增,且h(1)=0,故h(a)=lna−a−1a+1=0有唯一解a=1.
(2)要使直线y=b与两条曲线y=f(x)和y=g(x)共有三个不同的交点,只需
ex−x=x−lnx=b,此时ex+lnx−2x=0.
令F(x)=ex+lnx−2x,则F′(x)=ex+1x−2⩾x+1+1x−2=x+1x−1⩾2−1=1>0,则F(x)在(0,+∞)上单调递增,又F(1)=e−2>0,F(12)=√e−ln2−1<0,或者利用
F(e−4)=ee−4−4−2e4<e−4−2e4<0.
故F(x)在(0,+∞)上有唯一零点,记为x0,令b=ex0−x0即可.此时,直线y=b与两条曲线y=f(x)和y=g(x)共有三个不同的交点x1,x0,x2且x1<x0<x2.
下面证明: 2x0=x1+x2,即证x2=2x0−x1.
利用ex1−x1=b, ex0−x0=b=x0−lnx0和x2−lnx2=b.
由于2x0−x1>x0,只需证明
(2x0−x1)−ln(2x0−x1)=b.
则2x0−ln(2x0−x1)=x1+b=ex1,ex0+lnx0−ln(2x0−x1)=ex1,
故等价于证明
ex0−ex1=x0−x1=ln2x0−x1x0,ex0−x1=x0−bx1−b=2x0−x1x0,
即(x1−x0)(x1−x0+b)=0.又x1−x0>0,只需证明x1−x0+b=0,即x0=x1+b=ex1.
事实上,
g(ex1)=ex1−lnex1=ex1−x1=b=g(x0),
又x2>1>ex1>0>x1, g(x)在(0,1)上单调递减,故ex1=x0=x1+b,得证.
解法二. (同构法)利用ex1−x1=b, ex0−x0=b=x0−lnx0和x2−lnx2=b可得lnx0+ex0=2x0.
再由ex1−x1=b=x0−lnx0=elnx0−lnx0, ex0−x0=b=x2−lnx2=elnx2−lnx2.由g(x)=ex−x在(−∞,0)上递减,在(0,+∞)上递增以及x1,lnx0<0,而x0,lnx2>0可知x1=lnx0,x0=lnx2.
于是x1+x2=lnx0+ex0=2x0.
(2022年全国乙卷)已知函数f(x)=ln(1+x)+axe−x.
(1)当a=1时,求曲线y=f(x)在点(0,f(0))处的切线方程;
(2)若f(x)在区间(−1,0),(0,+∞)各恰有一个零点,求a的取值范围.
解. (1)当a=1时, f(x)=ln(1+x)+xe−x,则
f′(x)=11+x+(1−x)e−x.
故f(0)=0,f′(0)=2,则曲线y=f(x)在点(0,f(0))处的切线方程为y=2x.
(2) 解法一. (参变分离)当x≠0时,由f(x)=ln(1+x)+axe−x=0可得
a=−exln(1+x)x.
令g(x)=−exln(1+x)x,则
g′(x)=−ex[(x2−1)ln(1+x)+x]x2(1+x).
令h(x)=(x2−1)ln(1+x)+x,则
h′(x)=2xln(1+x)+x=x(2ln(1+x)+1).
于是h(x)在(−1,1√e−1)和(0,+∞)上单调递增,在(1√e−1,0)上单调递减,又h(0)=0,则存在x0∈(−1,1√e−1),使得h(x0)=0.此时,当−1<x<x0时, h(x)<0,则g′(x)>0;当x⩾x0时, h(x)⩾0,则g′(x)⩽0.
于是g(x)在(−1,x0)上单调递增,在(x0,0)和(0,+∞)上单调递减.
注意到
limx→0g(x)=limx→0(−exln(1+x)x)=−1,
要使f(x)在区间(−1,0),(0,+∞)各恰有一个零点,只需g(x)的图象与水平直线y=a在区间(−1,0),(0,+∞)各有一个交点,于是a<−1.
(解法二.) 由于
f′(x)=11+x+a(1−x)e−x=ex+a(1−x2)(1+x)ex,
(i)若a⩾0,则当x>0时, f(x)=ln(1+x)+axe−x>0,
与f(x)在区间(0,+∞)恰有一个零点矛盾.
(ii)若−1⩽a<0,当0<x⩽1时,
ex+a(1−x2)⩾ex−(1−x2)=ex+x2−1>0,
此时f′(x)>0;
当x⩾1时,
ex+a(1−x2)⩾ex>0,
此时f′(x)>0也成立.
因此当x>0时恒有f′(x)>0,故f(x)在区间(0,+∞)上单调递增,
则f(x)⩾f(0)=0,与f(x)在区间(0,+∞)恰有一个零点也矛盾.
(iii)若a<−1,令g(x)=ex+a(1−x2),
则g′(x)=ex−2ax在(−1,+∞)上单调递增,
且g′(−1)=1e+2a<1e−2<0,g′(0)=1>0,则存在x0∈(−1,0),使得g′(x0)=0.当x∈(−1,x0)时, g′(x)<0, g(x)单调递减;当x∈(x0,+∞)时, g′(x)>0, g(x)单调递增.
由于g(−1)=1e>0,g(0)=1+a<0,g(1)=e>0,则存在x1∈(−1,0),x2∈(0,1),使得g(x1)=g(x2)=0.当x∈(−1,x1)和(x2,+∞)时, g(x)>0,f′(x)>0, g(x)单调递增;当x∈(x1,x2)时, g(x)<0,f′(x)<0, f(x)单调递减.
由于−1<x1<0<x2且f(0)=0,则f(x1)>0,f(x2)<0,故f(x)在区间(−1,x1),(x2,+∞)各恰有一个零点,即f(x)在区间(−1,0),(0,+∞)各恰有一个零点.
综上所述, a的取值范围为a<−1.
(2022年浙江高考)已知数列{an}满足a1=1,an+1=an−13a2n (n∈N∗),则( )
(A) 2<100a100<52
(B) 52<100a100<3
(C) 3<100a100<72
(D) 72<100a100<4
解. 由an+1−an=−13a2n<0可知数列{an}单调递减, 则an⩽1.再由an+1=an(1−13an)>0可知0<an<1.
于是
1an+1=1an(1−13an)=3an(3−an)=1an+13−an,
故
1an+1−1an=13−an>13.
递推得
1an=(1an−1an−1)+(1an−1−1an−2)+⋯+(1a2−1a1)+1a1>n−13+1=n+23.
则
1a100>1023=34.
进而由an<3n+2可得
1an+1−1an=13−an<13−3n+2=13(1+1n+1),
故
1an=(1an−1an−1)+(1an−1−1an−2)+⋯+(1a2−1a1)+1a1<n−13+13(12+13+⋯+1n)+1=n+23+13(12+13+⋯+1n).
因此
1a100<1023+13(12+13+⋯+1100)=34+13(12+13+⋯+17)+13(18+19+⋯+1100)<34+13×12×6+13×18×93<40.
于是
52<100a100<10034<3.
答案为B选项.
(2022年浙江高考)设函数f(x)=e2x+lnx,x>0.
(I)求函数f(x)的单调区间;
(II)若y=f(x)在互不相同的三点(x1,f(x1)),(x2,f(x2)),(x3,f(x3))的切线均过点(a,b).
(i)若a>e,证明: 0<b−f(a)<12(ae−1);
(ii)若0<a<e且x1<x2<x3,证明: 2e+e−a6e2<1x1+1x3<2a−e−a6e2.
注: e=2.71828⋯是自然对数的底数.
证. (I)因为
f′(x)=−e2x2+1x=2x−e2x2
函数f(x)的单调递减区间为(0,e2),单调递增区间为[e2,+∞).
(II)函数f(x)在点(xi,f(xi)) (i=1,2,3)处的切线方程为
y−(e2xi+lnxi)=(−e2x2i+1xi)(x−xi),
即
y=(−e2x2i+1xi)x+exi+lnxi−1.
由于这三点处的切线均经过(a,b),则有
b=(−e2x2i+1xi)a+exi+lnxi−1.
这表明关于x的方程
(−e2x2+1x)a+ex+lnx−1−b=0
有三个不同正根x1,x2,x3.
(i)若a>e,令
g(x)=(−e2x2+1x)a+ex+lnx−1−b,
则
g′(x)=(x−e)(x−a)x3,
故g(x)在(0,e]和[a,+∞)上单调递增,在(e,a)上单调递减.
要使g(x)=0有三个不同正根,只需保证极大值g(e)=a2e+1−b>0
和极小值g(a)=e2a+lna−b<0,即
0<b−f(a)=b−e2a−lna<12(ae−ea)+1−lna.
要证
12(ae−ea)+1−lna<12(ae−1),
只需证
lna+e2a−32>0,a>e.
令h(a)=lna+e2a−32,则h′(a)=1a−e2a2=2a−e2a2>0,
故h(a)在(e,+∞)上递增.故h(a)>h(e)=0,得证.
(ii)若0<a<e,则g(x)在(0,a]和[e,+∞)上单调递增,在(a,e)上单调递减.类似地由极大值g(a)=e2a+lna−b>0和极小值g(e)=a2e+1−b<0可得
a2e+1<b<e2a+lna.
令ti=1xi (i=1,2,3),由0<x1<a<x2<e<x3可知t3<1e<t2<1a<t1.
要证
2e+e−a6e2<1x1+1x3<2a−e−a6e2,
只需证
2e+e−a6e2<t1+t3<2a−e−a6e2.
等价于证明
(t1+t3−2e−e−a6e2)(t1+t3−2a+e−a6e2)<0,
即
(t1+t3)2−(2e+2a)(t1+t3)+(2e+e−a6e2)(2a−e−a6e2)<0.
此时ti (i=1,2,3)均为方程
−ae2t2+(a+e)t−lnt−1−b=0
的三个根.
将
{−ae2t21+(a+e)t1−lnt1−1−b=0−ae2t23+(a+e)t3−lnt3−1−b=0
两式相减整理得
t1+t3=2e+2a−2ae⋅lnt1−lnt3t1−t3.
只需证
−2ae⋅lnt1−lnt3t1−t3(t1+t3)+(2e+e−a6e2)(2a−e−a6e2)<0,
即证
2lnt1t3⋅t1t3+1t1t3−1>(2ae+e−a6e2a)(2ea−e−a6e).
注意到u=t1t3>ea>1且函数G(u)=2lnu⋅u+1u−1单调递增,因为
G′(u)=2(u−1)2(u−1u−2lnu)>0,u>1.
这里u−1u−2lnu>0,u>1.
故G(u)>G(ea),只需证明
G(ea)>(2ae+e−a6e2a)(2ea−e−a6e).
记w=ea>1,等价于证明
2lnw⋅w+1w−1>(2w+w−16w2)(2w−w−16w)=(13w−1)(12w2−w+1)36w3.
令
H(w)=2lnw−(13w−1)(12w2−w+1)(w−1)36w3(w+1),
则
H′(w)=(w−1)2(72w3−49w2−20w+3)36w4(w+1)2>0,
这里72w3−49w2−20w+3=49w2(w−1)+20w(w2−1)+3w3+3>0.
故H(w)在(1,+∞)上单调递增,则H(w)>H(1)=0,证毕.
(2022年天津高考)
已知f(x)=ex−asinx,g(x)=b√x.
(1)求函数y=f(x)在(0,f(0))处的切线方程;
(2)若y=f(x)和y=g(x)有公共点.
i)当a=0时,求b的取值范围;
ii)求证: a2+b2>e.
解. (1)因为f(0)=1,而f′(x)=ex−acosx,f′(0)=1−a,则函数y=f(x)在(0,f(0))处的切线方程为y=(1−a)x+1.
(2)
i)当a=0时, f(x)=ex,要使y=f(x)和y=g(x)有公共点,只需保证方程f(x)=g(x)有解,即ex=b√x有解.
(参变分离)显然x>0,则b=ex√x.令h(x)=ex√x,则h′(x)=ex(2x−1)2x3/2.于是h(x)在(0,12)上递减,在[12,+∞)上递增且h(12)=√2e.
由于y=h(x)的图象与水平直线y=b有交点,则b的取值范围为[√2e,+∞).
ii)要使y=f(x)和y=g(x)有公共点,只需保证方程f(x)=g(x)有解,即ex−asinx=b√x有正数解t,则asint+b√t=et.
由柯西不等式可得
(a2+b2)(sin2t+t)⩾(asint+b√t)2=e2t.
则
a2+b2⩾e2tsin2t+t⩾e2tt2+t.
下面证明e2tt2+t>e,即e2t>et2+et.
令F(x)=e2t−et2−et,则F′(x)=2e2t−2et−e,F′′(x)=4e2t−2e,
则F′(x)在(0,12lne2)上递减,在[12lne2,+∞)上递增.
又F′(0)=2−e<0,F′(12)=0,F′(1)=2e2−3e>0,则F(x)在(0,12)上递减,在[12,+∞)上递增.故
F(x)⩾F(12)=e4>0.
因此
a2+b2⩾e2tsin2t+t⩾e2tt2+t>e.
另证.利用et>t+1可得et−1>t,则e2t−1>t2+t,故e2tt2+t>e.
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