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已知曲线 y=lnx+a(aR) 和圆 O:x2+y2=r2(r>0) 相交于 A,B 两个不同点,记直线 AB 的斜率为 k.

  1. r=2 时,证明: a>1;
  2. r=32 时,证明: k>2.
证明

  1. 反设 a1,则xlnxax(x1)(1)=2>0,
    因此2=x2+(lnx+a)2(xlnxa)22222=2,
    这样等号必须取到,取等时 a=1,x=1, 这不能得出两个不同的 x,与 A,B 不同矛盾,因此 a>1.

  2. f(x)=x2+(lnx+a)2. 不妨设 A(x1,y1),B(x2,y2),x1<x2. 则 x1,x234=f(x) 的解. 当 lnx+a>0 (即 x>ea)时,f(x)=2(x2+lnx+a)x>0, 因此 x1,x2 至多有一个大于 ea.

    • 如果 x1,x2ea, 则{lnx1a=34x12,lnx2a=34x22g(x1)=g(x2),
      其中 g(x)=34x2+lnx,0<x34. g(x)=1xx34x2,可以解得唯一极大值点 x0=22. 另一方面要证 k>2, 即证 h(x1)<h(x2),h(x)=lnx2x. h(x) 同样有唯一极大值点 x0.
      首先我们证明x0x1>x2x0, 这是一个传统的极值点偏移问题,只需证明g(22x)>g(22+x),0<x<2214x2+2x14x22x>ln1+2x12x.
      上述不等式左边=22x14x2+2x+14x22x=22x122x2+2(14x2)22x222x122x2+2(14x2)=22x14x2>22x14x2+4x4=22x12x2,右边<12(1+2x12x12x1+2x)=22x12x2,
      因此得证. 同理,证明h(22x)<h(22+x)ln1+2x12x>22x.
      这由lnx>2(x1)x+1,x>1立即得到.
      得到了这两个结论,我们可以取x3<x0, 使h(x3)=h(x2), 则根据极值点偏移的结论:x0x3<x2x0<x0x1x0>x3>x1h(x1)<h(x3)=h(x2)(可以参考如下图示), 问题得证!
    • 如果 x1ea<x2, 则 g(x1)=lnx234x22<g(x2).
      这样如果 x1<x2<x0, 则 x1,x2 也落在 h(x) 的单增区间上,h(x1)<h(x2); 如果 x1<x0<x2, 则 x2>x2, 使得 g(x1)=g(x2). 根据情形一的结论,h(x1)<h(x2)<h(x2).

    综上所述,结论得证!
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