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已知函数 f(x)=ex.

  1. 若函数 G(x)=f(x)−px+qsin⁡x 存在零点. 求证: p2+q2>e.
  2. 令 h(x)=xf(3x2)−λ 有两不同零点 a,b(a<b),
    1. 求实数 λ 的取值范围;
    2. 求证: eb−ea<2λ+1.
解答

  1. 证明 设 G(x) 零点为 x0>0, 则消去 p 后利用柯西不等式:p2+q2=(ex0+qsin⁡x0)2x0+q2≥(ex0+qsin⁡x0−qsin⁡x0)2x0+sin2⁡x0=e2x0x0+sin2⁡x0≥e2x0x0+|sin⁡x0|≥e2x02x0≥e.这样不等式得证.
    1. 解 求导得 h′(x)=(3x2+1)e3x2, 有零点 x=−23, 因此至少要求 h(x)min=h(−23)=−23e−λ<0⇒λ>−23e.
      而 xe3x2>0⟺x>0, 且 xe3x2 在 (0,+∞) 上增,因此若 λ≥0, h(x) 至多只有一个零点,这样得到 λ∈(−23e,0).
      此时,h(0)=−λ>0,h(−23)<0, 而利用 ex>12x2,x>0, 有h(x1)=x1e32(−x1)−λ>x112⋅94x12−λ≥0,x1=min{89λ,−23},
      故 h(x) 在 (x1,−23),(−23,0) 上各有一零点. 综上,λ∈(−23e,0).
    2. 证明 记 ea=m,eb=n, 则 m,n∈(0,1). 原问题等价于: ln⁡m⋅m32=ln⁡n⋅n32=λ,证明 n−m<2λ+1.
      一方面,λ−(n−1)=ln⁡n⋅n32−(n−1)(1−1n)n32+(1−n)=(1−n)(1−n12)>0,
      所以 n<λ+1.
      另一方面 λm=ln⁡m⋅m12=−2ln⁡1m12⋅m12>−21em12⋅m12>−1⇒m>−λ,
      故 n−m<2λ+1.

本题的命题背景是切线放缩. 一般地对于 m−n<f(λ) 型导数不等式,如果原来的函数恒上凸(或下凸),可用两条切线来放大 m−n, 如图. 这样 |m−n|<|m′−n′|. 解题时可以待定切点 x1,x2,表达出 m′,n′,与题中不等式右侧比对.

本题中对x32ln⁡x, 可知n′=λ+x032+12x032ln⁡x0x012+32x032ln⁡x0,
令 x0=1 得 n′=λ+1, 进而 m′=−λ (这一侧进行了放缩,读者可以代入切点 x0=1e2).
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