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已知函数 f(x)=2mln⁡x−x+1x(m>0).

  1. 讨论 f(x) 的单调性;
  2. 证明: (1+122)(1+132)(1+142)⋯(1+1n2)<e23(n∈N∗,n≥2);
  3. 若函数 g(x)=m2ln2⁡x−x−1x+2 有三个不同的零点,求 m 的取值范围.
解答

  1. 解 f′(x)=−x2−2mx+1x2,x>0. 当 0<m≤1 时,f′(x)≤−x2−2x+1x2≤0, 故 f(x) 在 (0,+∞) 上减. 当 m>1 时,f′(x) 有零点 x1=m−m2−1<1,x2=m+m2−1>1, 则 f(x) 在 (0,x1),(x2,+∞) 上减, 在 (x1,x2) 上增.

  2. 证明 当 m=1,由1,f′(x)≤0, 则 x>1 时 f(x)>f(1)=0⇒ln⁡x<12(x−1x). 从而 ∑i=2nln⁡(1+1i2)<12∑i=2n(i2+1i2−i2i2+1)=12∑i=2n(1i2+1i2+1)<∑i=2n1i2<14+∑i=3n1i2−1=14+12∑i=3n(1i−1−1i+1)=14+12(13+12−1n−1n+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. 解 记 x=t, 则g(x)=g(t2)=4m2ln2⁡t−(t−1t)2=(2mln⁡t+t−1t)(2mln⁡t−t+1t),
    记 h(t)=2mln⁡t+t−1t, 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)=0⟺f(t)=0.
    当 0<m≤1, 由 1 得 f(t) 单减,不会有三个零点; 当 m>1, 首先依据 ln⁡x 在 4m 处的切线放缩得到 ln⁡x≤14mx+ln⁡4m−1, 有 f(t)>−2mln⁡1t−1+1t≥−2m(14mt+ln⁡4m−1)−1+1t=12t−2m(ln⁡4m−1)−1,
    取 x3=min{x1,12(2m(ln⁡4m−1)−1)}<1 得 f(x3)>0, 而 f(x1)<f(1)=0, 故 f(x) 在 (x3,x1) 上存在一零点.
    其次,f(t)<2m(14mt+ln⁡4m−1)−t+1=−t2+2m(ln⁡4m−1)+1,
    取 x4=max{x2,2(2m(ln⁡4m−1)+1)}>1, 有 f(x4)<0, 而 f(x2)>f(1)>0, 故 f(x) 在 (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.