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20导数及其应用★★★★☆
已知函数 f(x)=(1x+a)ln⁡(1+x)f(x)=\left(\frac1x+a\right)\ln(1+x).
(1) 当 a=−1a=-1 时,求曲线 y=f(x)y=f(x) 在点 (1,f(1))(1,f(1)) 处的切线方程; (2) 若 f(x)f(x) 在 (0,+∞)(0,+\infty) 上单调递增,求 aa 的取值范围.
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 当 a=−1a=-1 时,f(x)=(1x−1)ln⁡(1+x)f(x)=\left(\dfrac1x-1\right)\ln(1+x),所以 f(1)=0f(1)=0,且
f′(x)=−ln⁡(1+x)x2+1x−11+xf'(x)=-\frac{\ln(1+x)}{x^2}+\frac{\frac{1}{x}-1}{1+x}
因此 f′(1)=−ln⁡2f'(1)=-\ln2,曲线在 (1,f(1))=(1,0)(1,f(1))=(1,0) 处的切线方程为 y=−ln⁡2(x−1)y=-\ln2(x-1),即 y=−(ln⁡2)x+ln⁡2y=-(\ln2)x+\ln2. \item 当 x>0x>0 时,
f′(x)=1x+a1+x−ln⁡(1+x)x2=x+ax2−(1+x)ln⁡(1+x)x2(1+x)f'(x)=\frac{\frac{1}{x}+a}{1+x}-\frac{\ln(1+x)}{x^2}=\frac{x+ax^2-(1+x)\ln(1+x)}{x^2(1+x)}
由于分母为正,f(x)f(x) 在 (0,+∞)(0,+\infty) 上单调递增等价于 a≥g(x)a\ge g(x),其中
g(x)=(1+x)ln⁡(1+x)−xx2g(x)=\frac{(1+x)\ln(1+x)-x}{x^2}
令 h(x)=x22+x−(1+x)ln⁡(1+x)h(x)=\dfrac{x^2}{2}+x-(1+x)\ln(1+x),则 h(0)=0h(0)=0,且 h′(x)=x−ln⁡(1+x)>0h'(x)=x-\ln(1+x)>0(因为 ln⁡(1+x)<x\ln(1+x)<x),所以 h(x)>0h(x)>0. 因而 g(x)<12g(x)<\dfrac12;另一方面,由两次求导或 ln⁡(1+x)=x−x22+o(x2)\ln(1+x)=x-\dfrac{x^2}{2}+o(x^2),得 lim⁡x→0+g(x)=12\lim_{x\to0^+}g(x)=\dfrac12. 所以 sup⁡x>0g(x)=12\sup_{x>0}g(x)=\dfrac12.
当 a≥12a\ge\dfrac12 时,a≥g(x)a\ge g(x) 对任意 x>0x>0 成立,故 f′(x)>0f'(x)>0,函数在 (0,+∞)(0,+\infty) 上单调递增;当 a<12a<\dfrac12 时,由 g(x)→12g(x)\to\dfrac12,可取充分小的正数 xx 使 g(x)>ag(x)>a,此时 f′(x)<0f'(x)<0,不满足题意. 因此 aa 的取值范围为 [12,+∞)\left[\dfrac12,+\infty\right). \end{enumerate} \end{solution}

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