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已知函数 f(x)=2mlnxx+1x(m>0).

  1. 讨论 f(x) 的单调性;
  2. 证明: (1+122)(1+132)(1+142)(1+1n2)<e23(nN,n2);
  3. 若函数 g(x)=m2ln2xx1x+2 有三个不同的零点,求 m 的取值范围.
解答

  1. f(x)=x22mx+1x2,x>0. 当 0<m1 时,f(x)x22x+1x20,f(x)(0,+) 上减. 当 m>1 时,f(x) 有零点 x1=mm21<1,x2=m+m21>1, 则 f(x)(0,x1),(x2,+) 上减, 在 (x1,x2) 上增.

  2. 证明m=1,由1,f(x)0, 则 x>1f(x)>f(1)=0lnx<12(x1x). 从而 i=2nln(1+1i2)<12i=2n(i2+1i2i2i2+1)=12i=2n(1i2+1i2+1)<i=2n1i2<14+i=3n1i21=14+12i=3n(1i11i+1)=14+12(13+121n1n+1)<14+12(13+12)=23,
    两边同时作为 e 的指数,即可证明原不等式.

  3. x=t, 则g(x)=g(t2)=4m2ln2t(t1t)2=(2mlnt+t1t)(2mlntt+1t),
    h(t)=2mlnt+t1t, 则h(t)=2mt+1+1t2>0. 又h(1)=0, 故h(t)有唯一零点1,它也是f(t)的零点. 这样g(t2)=f(t)h(t)=0f(t)=0.
    0<m1, 由1得f(t)单减,不会有三个零点; 当m>1, 首先依据lnx4m处的切线放缩得到lnx14mx+ln4m1, 有f(t)>2mln1t1+1t2m(14mt+ln4m1)1+1t=12t2m(ln4m1)1,
    x3=min{x1,12(2m(ln4m1)1)}<1f(x3)>0, 而 f(x1)<f(1)=0, 故 f(x)(x3,x1) 上存在一零点.
    其次,f(t)<2m(14mt+ln4m1)t+1=t2+2m(ln4m1)+1,
    x4=max{x2,2(2m(ln4m1)+1)}>1, 有f(x4)<0, 而f(x2)>f(1)>0, 故f(x)(x2,x4)上存在一零点,再结合1,此时f(x)确实存在三个零点.

    综上,m>1.