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定义: 若存在 x1,x2 (x1x2), 使得曲线 y=f(x) 在点 (x1,f(x1)) 和点 (x2,f(x2)) 处有相同的切线 l, 则称切线 l 为曲线 y=f(x) 的 "自公切线". 已知函数 f(x)=e|x|ax2.

  1. 若函数 f(x) 在区间 (0,+) 上单调递增, 求实数 a 的取值范围;
  2. 证明: 当 x>0 时, 曲线 y=f(x) 不存在 "自公切线";
  3. 若曲线 y=f(x) 有且只有两条 "自公切线", 求实数 a 的取值范围.
解答

自公切线的定义等价于切线 yf(xi)=f(xi)(xxi) (i=1,2) 是同一条直线, 也即 (1)f(x1)=f(x2),f(x1)x1f(x1)=f(x2)x2f(x2).

  1. 由题意, x>0f(x)=ex2ax0. 对 x=1, 有 ae2. 这个范围也是充分的, 因为 ex2axexex0. 所以 a 的范围就是 (,e2].
  2. 证明 假设自公切线存在且切点为 x1,x2, 则根据 (1) (2)ex1ex2=2a(x1x2),(3)ex1ex2a(x12x22)x1(ex12ax1)+x2(ex22ax2)=0. 再将 (2) 代入 (3) 并消去 x1x2: (4)2aa(x1+x2)(ex12ax1)=0.(2) 联立, 消去 a: ex1x21ex1x2+1=x1x22.t=ex1x2, 得到 lnt=2(t1)t+1, 这是我们熟知的式子, 只能在 t=1 时取等, 但是明显 t1, 所以 y=f(x) 不存在自公切线.
  3. 如果 x1,x2<0, 根据 f(x) 是偶函数, 同样没有自公切线. 所以如果 y=f(x) 真的有自公切线, 只能是 x1<0,x2>0 的情况 (注意到 f(x)x=0 处没有导数, 所以不用考虑 0). 这个时候, 我们有(5)ex2+ex1=2a(x2x1),0=ex1ex2a(x12x22)x1(ex12ax1)+x2(ex22ax2)=ex1ex2a(x12x22)(x1x2)(ex12ax1)=ex1ex2(x1x2)(a(x2x1)ex1)(6)=12(ex1ex2)(2+x1x2). 如果 ex1ex2=0, 则 x1+x2=0, 代入 (5)a=ex22x2. 如果 x1x2+2=0, 代入 (5)14(ex2+e2x2), 0<x2<2.
    如图, 画出两个函数的图像. (注意到两个函数的极小值点都是 (1,e2).) 要存在两个解, 则 a1+e24.
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