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已知函数 f(x)=2xex−mx2+1, m∈R. 若 ∀x∈[−1,+∞), f(x)≤1−mme2x 恒成立, 求 m 的取值范围.

解

首先代入 x=0, 解得 0<m≤12. 下面证明这个范围就是充分的.

  • 当 x≥0, 把不等式整理成 1me2x+mx2≥2xex+e2x+1. 记左边为关于 m 的函数 g(m)=1me2x+mx2, m∈(0,12]. 则 g′(m)=x2−1m2e2x≤x2−4e2x. 而 2ex>x, 所以 g′(m)≤x2−(2ex)2<0, 因此只需要证明 g(12)≥右边 即可, 这等价于 e2x+12x2−2xex−1=(ex−x)2−12x2−1≥0≥(1+x22)2−12x2−1=x44+x22>0. 这里利用了不等式 ex≥1+x+x22.
  • 当 −1≤x<0, 改写不等式为 (mx2−1)e−2x−2xe−x≥1−1m. 记左边函数为 h(x), 则 h′(x)=(2mx(1−x)+2)e−2x−2(1−x)e−x≤(x(1−x)+2)e−2x−2(1−x)e−x=e−x[(x−x2+2)e−x−2(1−x)]≤e−x(x−x2+2x+1−2(1−x))=xe−x<0, 所以只需证明 h(0)=−1≥1−1m, 这已经成立了.

综上, m∈(0,12].

这里 x<0 段的处理略微不自然. 事实上对于多项式和指数项混杂的函数, 我们倾向于通过乘除指数项, 来让所有的项都带上指数项. 这是因为 (ef(x)g(x))′=(f′(x)g(x)+g′(x))ef(x), 在求导后依然可以去掉指数项. 在这道题中, 通过不等式同除 e−2x, 我们神奇地让函数变成了单调函数, 省去了很多讨论.