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已知函数 f(x)=(x+2)ln(x+1)+ax 有三个零点,其中 a 为实数.

  1. 求实数 a 的取值范围;
  2. 已知函数 G(x)=f(x1) 的三个零点为 x1,x2,x3(x1<x2<x3), 且 a>3, 求证: |x1x3|<232a+a2a+3;
  3. H(x)=ln(x+s)tx+e 的零点为 x4x5, 且 s,t 满足 2t>3,tst<e. 求证: x4+x5<2(sst+e)2t1. (其中 e=2.71828 是自然对数的底数)
解答

  1. a2,则利用 11xlnxx1f(x)=x+2x+1+ln(x+1)+a=(1+1x+1ln1x+1)+a2+a0,
    这样 f(x) 单增,至多只有一个零点;当 a<2,有 f(x)=x(x+1)2,故 f(x) 存在唯一极小值点,即至多存在两个零点,这样 f(x) 至多存在两个极值点,也即至多存在三个零点.又注意到f(ea1)=2aea<0,f(1a)=(2+1a)ln(1a+1)1(2+1a)1a+11=1+aa2a(a+1)>0,f(a2)=aln(a1)a(a+2)a(a2)a(a+2)=0,f(ea1)=2a>0,
    故由零点存在性定理,f(x)(ea1,1a)(1,0)(a2,ea1)(0,+) 上各有一零点,再加上显然的零点 0,确实有且仅有三个零点.综上 a<2.
  2. 证明 根据 1 我们可知 0<x1<1=x2<x3. 观察右侧的表达式,猜想题目的命制基于 lnx 的某个裴德逼近,因此构造 g(x)=lnx3(x21)x2+4x+1,有 g(x)=(x1)4x(x2+4x+1)20, 故 x>1g(x)>g(1)=0, x<1g(x)<0. 因此0=(x3+1)lnx3+a(x31)>3(x3+1)(x321)x32+4x3+1+a(x31),
    这本质上是关于x3的一元二次不等式,解得x3<32a+a2(3+2a)3+a
    同理可得 x1>32a+a2+(3+2a)3+a,这样 |x1x3|<232a+a23+a.
  3. 证明 这一问形式和 2 很像,猜测方法差不多.构造 h(x)=lnx12(x1x),易得 x>1h(x)<0, x<1h(x)>0. 要使用不等式,首先要说明 x4,x5 分列 1s 两侧(不妨设 x4<x5).而 H(x) 必定是先增后减的结构,且 H(1s)=ts+et>0,这样确实有 x4+s<1<x5+s.因此 0<12(x5+s1x5+s)2tx5+2ex5<2(s+est)Δ2(2t1),Δ=(ts+e)2+12t>(t1)2>0.
    同理x4<2(s+est)+Δ2(2t1)x4+x5<s+est2t1.