970

970

已知曲线 y=ln⁡x+a(a∈R) 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. 当 r=2 时,证明: a>−1;
  2. 当 r=32 时,证明: k>2.
证明

  1. 反设 a≤−1,则x−ln⁡x−a≥x−(x−1)−(−1)=2>0,
    因此2=x2+(ln⁡x+a)2≥(x−ln⁡x−a)22≥222=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. 记 f(x)=x2+(ln⁡x+a)2. 不妨设 A(x1,y1),B(x2,y2),x1<x2. 则 x1,x2 是 34=f(x) 的解. 当 ln⁡x+a>0 (即 x>e−a)时,f′(x)=2(x2+ln⁡x+a)x>0, 因此 x1,x2 至多有一个大于 e−a.

    • 如果 x1,x2≤e−a, 则{−ln⁡x1−a=34−x12,−ln⁡x2−a=34−x22⇒g(x1)=g(x2),
      其中 g(x)=34−x2+ln⁡x,0<x≤34. g′(x)=1x−x34−x2,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)=ln⁡x−2x. h(x) 同样有唯一极大值点 x0.
      首先我们证明x0−x1>x2−x0, 这是一个传统的极值点偏移问题,只需证明g(22−x)>g(22+x),∀0<x<22⟺14−x2+2x−14−x2−2x>ln⁡1+2x1−2x.
      上述不等式左边=22x14−x2+2x+14−x2−2x=22x12−2x2+2(14−x2)2−2x2≥22x12−2x2+2(14−x2)=22x1−4x2>22x1−4x2+4x4=22x1−2x2,右边<12(1+2x1−2x−1−2x1+2x)=22x1−2x2,
      因此得证. 同理,证明h(22−x)<h(22+x)⟺ln⁡1+2x1−2x>22x.
      这由ln⁡x>2(x−1)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:x0−x3<x2−x0<x0−x1⇒x0>x3>x1⇒h(x1)<h(x3)=h(x2)(可以参考如下图示), 问题得证!
    • 如果 x1≤e−a<x2, 则 g(x1)=ln⁡x2−34−x22<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!
    Pasted image 20260124221513.png|450