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已知函数 f(x)=ax2,g(x)=lnx,两条不同的直线 l1,l2 均同时与函数 f(x),g(x) 的图像相切.

  1. 求实数 a 的取值范围;
  2. l1,l2y 轴上的截距分别为 d1,d2, 证明: d1+d2<1.
解答

  1. l1f,g 的切点为 x1,x2l2 的为 x3,x4. 一方面,l1:yax12=2ax1(xx1)y=2ax1xax12, 另一方面同理 l1:y=1x2x+lnx21.这样{2ax1=1x2,ax12=lnx21.ax12=ln2ax1+1.
    h(x)=ax2ln2ax1,则h(x1)=h(x3)=0.

    • a>0,则 h(x)=2ax1x,x>0, h(x) 有唯一极小值点 x=12a,则 h(x)min=h(12a)=12(1+ln2a)<0a>12e.此时 h(12ae)=14ae2>0,h(2)=4aln4a14a(4a1)1=0,故 h(x)(12ae,12a),(12a,2) 上各有一零点,也即存在两条公切线.
    • a<0,则 h(x)=2ax1x>0,x<0,故 h(x)(,0) 上单调,不存在两个零点.

    综上,a>12e.

  2. 证明1axi2=ln2axi+1,i=1,3.由 a>0x1,x3>0.不妨设 x1>x3.作差得 a(x12x32)=lnx1x3.
    利用不等式2(x1)x+1<lnx<12(x1x),x>1,一方面有a(x12x32)>2x1x3x1+x3a(x1+x3)2>2,
    另一方面有a(x12x32)<12x12x32x1x32ax1x3<1.
    这两个不等式相减即得d1+d3=a(x12+x32)<1.