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21导数及其应用★★★★★
设函数 f(x)=ln⁡x+mxf(x) = \ln x + \frac{m}{x},m∈Rm \in \mathbf{R}.
(1) 当 m=em = \mathrm{e}(e\mathrm{e} 为自然对数的底数)时,求 f(x)f(x) 的极小值; (2) 讨论函数 g(x)=f′(x)−x3g(x) = f'(x) - \frac{x}{3} 零点的个数; (3) 若对任意 b>a>0b > a > 0,f(b)−f(a)b−a<1\frac{f(b) - f(a)}{b - a} < 1 恒成立,求 mm 的取值范围.
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 当 m=em=\mathrm{e} 时,x>0x>0,且
f′(x)=1x−ex2=x−ex2f'(x)=\frac1x-\frac{\mathrm{e}}{x^2}=\frac{x-\mathrm{e}}{x^2}
因此 f′(x)<0f'(x)<0 在 (0,e)(0,\mathrm{e}) 上成立,f′(x)>0f'(x)>0 在 (e,+∞)(\mathrm{e},+\infty) 上成立,故 x=ex=\mathrm{e} 处取得极小值. 其值为
f(e)=ln⁡e+ee=1+1=2f(\mathrm{e})=\ln\mathrm{e}+\frac{\mathrm{e}}{\mathrm{e}}=1+1=2
\item x>0x>0 时
g(x)=1x−mx2−x3g(x)=\frac1x-\frac{m}{x^2}-\frac{x}{3}
由于 3x2>03x^2>0,g(x)=0g(x)=0 等价于
m=φ(x):=x−x33m=\varphi(x):=x-\frac{x^3}{3}
又
φ′(x)=1−x2\varphi'(x)=1-x^2
所以 φ\varphi 在 (0,1)(0,1) 上递增,在 (1,+∞)(1,+\infty) 上递减,且 φ(0+)=0\varphi(0^+)=0,φ(1)=23\varphi(1)=\frac23,φ(x)→−∞\varphi(x)\to-\infty(x→+∞x\to+\infty). 因此,当 m>23m>\frac23 时有 00 个零点;当 m=23m=\frac23 或 m⩽0m\leqslant0 时有 11 个零点;当 0<m<230<m<\frac23 时有 22 个零点. \item 令 h(x)=f(x)−xh(x)=f(x)-x. 题设不等式等价于对任意 b>a>0b>a>0 有 h(b)<h(a)h(b)<h(a),即 hh 在 (0,+∞)(0,+\infty) 上严格递减. 求导得
h′(x)=1x−mx2−1=−x2−x+mx2h'(x)=\frac1x-\frac{m}{x^2}-1=-\frac{x^2-x+m}{x^2}
当 m⩾14m\geqslant\frac14 时,
x2−x+m=(x−12)2+m−14⩾0x^2-x+m=\left(x-\frac12\right)^2+m-\frac14\geqslant0
所以 h′(x)⩽0h'(x)\leqslant0,且至多在一个点取零. 对任意 b>a>0b>a>0,h(b)−h(a)=∫abh′(x) dx<0h(b)-h(a)=\int_a^b h'(x)\,\mathrm dx<0,故 hh 严格递减,题设成立.
当 m<14m<\frac14 时,x2−x+mx^2-x+m 在 x=12x=\frac12 处为负,故在该点附近 h′(x)>0h'(x)>0,可以取 b>a>0b>a>0 使 h(b)>h(a)h(b)>h(a),题设不成立. 因此
m∈[14,+∞)m\in\left[\frac14,+\infty\right)
\end{enumerate} \end{solution}

2014 · 陕西 · 文 · 第 21 题 · 解答题

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