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21导数及其应用★★★★★
已知函数 f(x)=ex−ax2−bx−1f(x) = \mathrm{e}^{x} - ax^{2} - bx - 1,其中 aa,b∈Rb \in \mathbf{R},e=2.71828⋯\mathrm{e} = 2.71828\cdots 为自然对数的底数.
(1) 设 g(x)g(x) 是函数 f(x)f(x) 的导函数,求函数 g(x)g(x) 在区间 [0,1][0,1] 上的最小值; (2) 若 f(1)=0f(1)=0,函数 f(x)f(x) 在区间 (0,1)(0,1) 内有零点,证明:e−2<a<1\mathrm{e} - 2 < a < 1.
\begin{solution} \begin{enumerate} \item g(x)=f′(x)=ex−2ax−bg(x)=f'(x)=\mathrm{e}^x-2ax-b,且 g′(x)=ex−2ag'(x)=\mathrm{e}^x-2a 严格递增. 若 a⩽12a\leqslant\frac12,则 g′(x)⩾0g'(x)\geqslant0(0⩽x⩽10\leqslant x\leqslant1),所以最小值为 g(0)=1−bg(0)=1-b. 若 \frac12<a<\frac\mathrm{e}2,则 g′(x)=0g'(x)=0 的解 x0=ln⁡(2a)x_0=\ln(2a) 在 (0,1)(0,1) 内,故最小值为
g(x0)=2a−2aln⁡(2a)−bg(x_0)=2a-2a\ln(2a)-b
若 a\geqslant\frac\mathrm{e}2,则 g′(x)⩽0g'(x)\leqslant0(0⩽x⩽10\leqslant x\leqslant1),所以最小值为 g(1)=e−2a−bg(1)=\mathrm{e}-2a-b. 综上,最小值为
\begin{cases} 1-b, & a\leqslant\frac12,\\ 2a-2a\ln(2a)-b, & \frac12<a<\frac\mathrm{e}2,\\ \mathrm{e}-2a-b, & a\geqslant\frac\mathrm{e}2. \end{cases}
\item 由 f(1)=0f(1)=0,得 a+b=e−1a+b=\mathrm{e}-1,即 b=e−1−ab=\mathrm{e}-1-a. 又 f(0)=0f(0)=0,设题设中 (0,1)(0,1) 内的零点为 x0x_0. 对区间 [0,x0][0,x_0] 和 [x0,1][x_0,1] 分别使用罗尔定理,得 g=f′g=f' 在 (0,1)(0,1) 内有两个不同的零点.
由于 g′(x)=ex−2ag'(x)=\mathrm{e}^x-2a 严格递增,且 gg 在 (0,1)(0,1) 内有两个不同的零点,罗尔定理表明 g′g' 在这两个零点之间有一个零点. 因而 gg 在该点左侧递减、右侧递增,两个零点之外函数值严格为正,从而 g(0)>0g(0)>0,g(1)>0g(1)>0. 因此 g(0)=1−b=a+2−e>0g(0)=1-b=a+2-\mathrm{e}>0,g(1)=e−2a−b=1−a>0g(1)=\mathrm{e}-2a-b=1-a>0. 于是 e−2<a<1\mathrm{e}-2<a<1. \end{enumerate} \end{solution}

2014 · 四川 · 文 · 第 21 题 · 解答题

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