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已知函数 f(x)=x−aln⁡x.

  1. 若函数 f(x) 有两个零点为 x1,x2(x1<x2).
    1. 求实数 a 的取值范围;
    2. 求证: x2−x1>2a2−e2.
  2. 已知方程 x2−(s+t)xln⁡x−st=0 (s<t 且 st>1) 有三个相异的实数根为 x3,x4,x5(x3<x4<x5). 试证明不等式: x3+x5+st(1x3+1x5)>3(s+t)−6st(s+t)t2+2st+3s2 成立.
解答

    1. 解 f′(x)=x−ax.
      a≤0 时 f′(x)>0; 0<a≤e 时 f(x)≥x−axe≥0, 均没有两个零点.
      当 a>e 时,f(x) 在 (0,a) 上减,(a,+∞) 上增. 又 f(e)=e−a<0,f(1)=1>0,f(a2)=a(a−2ln⁡a)>(a−2ae)>0, 故 f(x) 在 (1,e),(e,a2) 上各有一零点.
      综上 a>e.
    2. 证明 记 g(x)=ln⁡x−2x2x2+e2, 则 g′(x)=(x2−e2)2x(x2+e2)2≥0, 且 g(e)=0. 由 1.1 得 x1<e<x2, 这样 g(x1)<0<g(x2).从而 0=f(x1)>x1−a2x12x12+e2⇒x12−2ax1+e2<0⇒x1<a−a2−e2,
      同理 x2>a+a2−e2, 从而 x2−x1>2a2−e2.
  1. 证明 第一步: 证明 x3x5<st. 原方程等价于H(x)=x−(s+t)ln⁡x−stx=0.
    而 h′(x)=(x−s)(x−t)x2, 这样 h(x) 在 (0,s),(t,+∞) 上增,在 (s,t) 上减. 而 h(x3)=h(x4)=h(x5)=0, 故 x3<s<x4<t<x5, 进而 x3x5<st.
    第二步: 将不等式消为关于 st 的单变元不等式. 由于 h(x3)−h(x5)=0, 整理得(x3−x5)(1+stx3x5)=(s+t)ln⁡x3x5
    而(x+1x−1ln⁡x)′=1(x−1)2(x−1x−2ln⁡x)<0,x<1, 故不等式左边LHS=(x3+x5)(1+stx3x5)=(s+t)x3x5+1x3x5−1ln⁡x3x5>(s+t)st+1st−1ln⁡st=(s+t)2s−tln⁡st,
    因此消去s+t,记u=st<1, 只需要证明s+ts−tln⁡st>9s2+3t2s2+2st+3t2⇐φ(u)=ln⁡u−(9u2+3)(u−1)(1+2u+3u2)(u+1)<0.
    第三步: 证明 φ(u)<0. 利用裴德逼近 ln⁡x−3(x2−1)x2+4x+1<0,∀x∈(0,1) (对这个函数求导得 (x−1)4x(x2+4x+1)2≥0 从而易证),有φ(u)<3(u2−1)u2+4u+1−(9u2+3)(u−1)(1+2u+3u2)(u+1)=−12u2(1−u2)(u2+4u+1)(1+2u+3u2)(u+1)<0,
    这样问题得证!