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已知函数 f(x)=ax2,g(x)=ln⁡x,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. 记 l1,l2 在 y 轴上的截距分别为 d1,d2, 证明: d1+d2<−1.
解答

  1. 解 设 l1 在 f,g 的切点为 x1,x2,l2 的为 x3,x4. 一方面,l1:y−ax12=2ax1(x−x1)⇒y=2ax1x−ax12, 另一方面同理 l1:y=1x2x+ln⁡x2−1.这样{2ax1=1x2,−ax12=ln⁡x2−1.⇒ax12=ln⁡2ax1+1.
    记h(x)=ax2−ln⁡2ax−1,则h(x1)=h(x3)=0.

    • a>0,则 h′(x)=2ax−1x,x>0, h(x) 有唯一极小值点 x=12a,则 h(x)min=h(12a)=−12(1+ln⁡2a)<0⇒a>12e.此时 h(12ae)=14ae2>0,h(2)=4a−ln⁡4a−1≥4a−(4a−1)−1=0,故 h(x) 在 (12ae,12a),(12a,2) 上各有一零点,也即存在两条公切线.
    • a<0,则 h′(x)=2ax−1x>0,x<0,故 h(x) 在 (−∞,0) 上单调,不存在两个零点.

    综上,a>12e.

  2. 证明 由 1 得 axi2=ln⁡2axi+1,i=1,3.由 a>0 得 x1,x3>0.不妨设 x1>x3.作差得 a(x12−x32)=ln⁡x1x3.
    利用不等式2(x−1)x+1<ln⁡x<12(x−1x),x>1,一方面有a(x12−x32)>2x1−x3x1+x3⇒a(x1+x3)2>2,
    另一方面有a(x12−x32)<12⋅x12−x32x1x3⇒2ax1x3<1.
    这两个不等式相减即得d1+d3=−a(x12+x32)<−1.