2021年高考数学新高考Ⅱ-22 |
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2022-04-29 23:03:46 |
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22.(12分)已知函数f(x)=(x−1)ex−ax2+b. (Ⅰ)讨论f(x)的单调性; (Ⅱ)从下面两个条件中选一个,证明:f(x)恰有一个零点. ①12<a⩽e22,b>2a; ②0<a<12,b⩽2a. 分析:(Ⅰ)对函数f(x)求导,对导数f′(x)分a⩽0、0<a<12、a=12、a>12四种情况讨论,即可求解.(2)结合第一问单调性以及零点存在定理来证明f(x)有一个零点. 解:(Ⅰ)∵,f'(x)=x(e^{x}-2a), ①当a\leqslant 0时,当x>0时,f'(x)>0,当x<0时,f'(x)<0, \therefore f(x)在(-\infty ,0)上单调递减,在(0,+\infty )上单调递增, ②当a>0时,令f'(x)=0,可得x=0或x=ln(2a), (i)当0<a<\dfrac{1}{2}时, 当x>0或x<ln(2a)时,f'(x)>0,当ln(2a)<x<0时,f'(x)<0, \therefore f(x)在(-\infty,ln(2a)),(0,+\infty )上单调递增,在(ln(2a),0)上单调递减, (ii)a=\dfrac{1}{2}时, f'(x)=x(e^{x}-1)\geqslant 0 且等号不恒成立,\therefore f(x)在R上单调递增, (iii)当a>\dfrac{1}{2}时, 当x<0或x>ln(2a)时,f'(x)>0,当0<x<ln(2a)时,f'(x)<0, f(x)在(-\infty ,0),(ln(2a),+\infty )上单调递增,在(0,ln(2a))上单调递减. 综上所述: 当a\leqslant 0 时,f(x) 在(-\infty ,0)上单调递减;在(0,+\infty )上 单调递增; 当0<a<\dfrac{1}{2} 时,f(x) 在(-\infty,ln(2a)) 和(0,+\infty )上单调递增;在(ln(2a),0)上单调递减; 当a=\dfrac{1}{2} 时,f(x) 在R 上单调递增; 当a>\dfrac{1}{2} 时,f(x) 在(-\infty ,0)和(ln(2a),+\infty ) 上单调递增;在(0,ln(2a)) 上单调递减. (Ⅱ)证明:若选①,由 (Ⅰ)知,f(x) 在(-\infty ,0)上单调递增,(0,ln(2a)) 单调递减,(ln(2a),+\infty ) 上f(x) 单调递增. 注意到f(-\sqrt{\dfrac{b}{a}})=(-\sqrt{\dfrac{b}{a}}-1)e^{-\sqrt{\dfrac{b}{a}}}<0,f(0)=b-1>2a-1>0. \therefore f(x) 在(-\sqrt{\dfrac{b}{a}},0] 上有一个零点; f(ln(2a))=(ln(2a)-1)\cdot 2a-a\cdot ln^{2}2a+b>2aln(2a)-2a-aln^{2}2a+2a=aln(2a)(2-ln(2a)), 由\dfrac{1}{2}<a\leqslant \dfrac{e^{2}}{2} 得0<ln(2a)\leqslant 2,\therefore aln(2a)(2-ln(2a))\geqslant 0, \therefore f(ln(2a))>0,当x\geqslant 0 时,f(x)\geqslant f(ln(2a))>0,此时f(x) 无零点. 综上:f(x) 在R 上仅有一个零点. 若选②,则由(Ⅰ)知:f(x)在(-\infty,ln(2a)) 上单调递增,在(ln(2a),0)上单调递减,在(0,+\infty ) 上单调递增. f(ln(2a))=(ln(2a)-1)2a-aln^{2}2a+b\leqslant 2aln(2a)-2a-aln^{2}2a+2a=aln(2a)(2-ln(2a)), \because0<a<\dfrac{1}{2},\therefore ln(2a)<0,\therefore aln(2a)(2-ln(2a))<0,\therefore f(ln(2a))<0, \therefore当x\leqslant 0 时,f(x)\leqslant f(ln(2a))<0,此时f(x) 无零点. 当x>0 时,f(x) 单调递增,注意到f(0)=b-1\leqslant 2a-1<0, 取c=\sqrt{2(1-b)+2},\because b<2a<1,\thereforec>\sqrt{2}>1,又易证e^{c}>c+1, \thereforef(c)=(c-1)e^{c}-ac^{2}+b>(c-1)(c+1)-ac^{2}+b=(1-a)c^{2}+b-1>\dfrac{1}{2}c^{2}+b-1=1-b+1+b-1=1>0, \therefore f(x)在(0,c)上有唯一零点,即f(x)在(0,+\infty )上有唯一零点. 综上:f(x) 在R 上有唯一零点. 点评:本题考查利用导数研究函数的单调性和零点,考查分类讨论的数学思想,考查数学运算和数学抽象的核心素养,属于难题.
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