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高中数学选择性必修 第二册(381题)


已知函数 \( f\left(x\right)=\frac{ax+1}{{e}^{x}}+x\left(a\in \mathit{R}\right)\) .对于 \( \forall x\in \left(0,+\infty \right)\) ,不等式 \( f\left(x\right)\le 2x-\frac{\mathrm{ln}x}{{e}^{x}}\) 恒成立,求实数 \( a\) 的取值范围.



知识点:第五章 一元函数的导数及其应用


参考答案:见解析


解析:


法一: \( \forall x\in \left(0,+\infty \right)\) ,由 \( f\left(x\right)\le 2x-\frac{\mathrm{ln}x}{{e}^{x}}\) 可得 \( a\le {e}^{x}-\frac{\mathrm{ln}x+1}{x}\) ,其中 \( x>0\) ,



令 \( g\left(x\right)={e}^{x}-\frac{\mathrm{ln}x+1}{x}\) ,则 \( g\left(x\right)=\frac{x{e}^{x}-\mathrm{ln}x-1}{x}=\frac{{e}^{x+\mathit{ln}x}-\mathrm{ln}x-1}{x}\ge \frac{x+\mathrm{ln}x+1-\mathrm{ln}x-1}{x}=1\)



当且仅当 \( x+\mathrm{ln}x=0\) 取等号, \( \therefore a\le 1\).



法二: \( \forall x\in \left(0,+\infty \right)\) ,由 \( f\left(x\right)\le 2x-\frac{\mathrm{ln}x}{{e}^{x}}\) 可得 \( a\le {e}^{x}-\frac{\mathrm{ln}x+1}{x}\) ,其中 \( x>0\) ,



令 \( g\left(x\right)={e}^{x}-\frac{\mathrm{ln}x+1}{x}\) ,其中 \( x>0\) ,则 \( {g}^{\text{'}}\left(x\right)={e}^{x}+\frac{\mathrm{ln}x}{{x}^{2}}=\frac{{x}^{2}{e}^{x}+\mathrm{ln}x}{{x}^{2}}\) ,



令 \( h\left(x\right)={x}^{2}{e}^{x}+\mathrm{ln}x\) ,其中 \( x>0\) ,则 \( h\text{'}\left(x\right)=\left({x}^{2}+2x\right){e}^{x}+\frac{1}{x}>0\) ,



故函数 \( h\left(x\right)={x}^{2}{e}^{x}+\mathrm{ln}x\) 在 \( \left(0,+\infty \right)\) 上为增函数,



因为 \(h\left( {\frac{1}{2}} \right) = \frac{{\sqrt {\rm{e}} }}{4} - \ln 2 < 0\) , \( h\left(1\right)>0\) ,



所以,存在 \( {x}_{0}\in \left(\frac{1}{2},1\right)\) 使得 \( h\left({x}_{0}\right)={x}_{0}^{2}{e}^{{x}_{0}}+\mathrm{ln}{x}_{0}=0\) ,



则 \( {x}_{0}{e}^{{x}_{0}}=-\frac{1}{{x}_{0}}\mathrm{ln}{x}_{0}=\frac{1}{{x}_{0}}\mathrm{ln}\frac{1}{{x}_{0}}={e}^{\mathrm{ln}\frac{1}{{x}_{0}}}\mathrm{ln}\frac{1}{{x}_{0}}\) ,



令 \( p\left(x\right)=x{e}^{x}\) ,其中 \( x>0\) ,则 \( {p}^{\text{'}}\left(x\right)=\left(x+1\right){e}^{x}>0\) ,故函数 \( p\left(x\right)\) 在 \( \left(0,+\infty \right)\) 上为增函数,



因为 \( p\left({x}_{0}\right)=p\left(\mathrm{ln}\frac{1}{{x}_{0}}\right)\) ,所以, \( {x}_{0}=-\mathrm{ln}{x}_{0}\) ,可得 \( {x}_{0}+\mathrm{ln}{x}_{0}=\mathrm{ln}\left({x}_{0}{e}^{{x}_{0}}\right)=0\) ,则 \( {x}_{0}{e}^{{x}_{0}}=1\) ,



当 \( 0<x<{x}_{0}\) 时, \( {g}^{\text{'}}\left(x\right)<0\) ,此时函数 \( g\left(x\right)\) 单调递减,



当 \( x>{x}_{0}\) 时, \( {g}^{\text{'}}\left(x\right)>0\) ,此时函数 \( g\left(x\right)\) 单调递增,



所以, \(g\left ( {x} \right )_{\text{min}}=g\left ( {{x}_{0}} \right )=\frac {{x}_{0}{e}^{{x}_{0}}-\mathrm{ln}{x}_{0}-1} {{x}_{0}}=\frac {1+{x}_{0}-1} {{x}_{0}}=1\) , \( \therefore a\le 1\).


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