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零点问题:2016年理数全国卷A题21

零点问题:2016年理数全国卷A题21

作者: 易水樵 | 来源:发表于2021-11-04 23:39 被阅读0次

零点问题:2016年理数全国卷A题21

已知函数 f(x)=(x-2)e^x + a(x-1)^2 有两个零点.

(Ⅰ)求 a 的取值范围;

(Ⅱ)设 x_1,x_2f(x) 的两个零点,证明∶ x_1+x_2 \lt 2.


【解答问题Ⅰ】

f(x)=xe^x -2e^x + a(x-1)^2

定义域为 (-\infty,+\infty).

f(1)=-e

f'(x) = xe^x + e^x -2e^x + 2a(x-1)

f'(x) = (x-1)(e^x+2a)

(1) 若 a=0, f(x) = (x-2) e^x

显然,只有一个零点,即 f(2)=0

(2) 若 a \lt 0, -2a \gt 0,

x_0= \ln (-2a), 则 e^{x_0} = -2a

f'(x_0) = 0

f(x_0)= -2a x_0 +4a +a (x^2_0-2x_0+1)

=a(x^2_0-4x_0+5)

x^2_0-4x_0+5=(x_0-2)^2+1 \gt 0,

f(x_0) \lt 0

x_0=1,

x \lt 1, f'(x) \gt 0, 函数 f(x) 单调递增且 f(x) \lt -e, 没有零点;

x \gt 1, f'(x) \gt 0, 函数 f(x) 单调递增,最多有1个零点;

x_0 \lt 1,

x \lt x_0, f'(x) \gt 0, 函数 f(x) 单调递增且 f(x) \lt 0, 没有零点;

x_0 \lt x \lt 1, f'(x) \lt 0, 函数 f(x) 单调递减,0 \gt f(x_0) \gt f(x) \gt -e , 没有零点;

x \gt 1, f'(x) \gt 0, 函数 f(x) 单调递增,最多有1个零点;

同理可证:若 x_0 \gt 1, 只有1个零点;

x \lt 1, f'(x) \gt 0, 函数 f(x) 单调递增且 f(x) \lt -e, 没有零点;

1 \lt x \lt x_0, f'(x) \lt 0, 函数 f(x) 单调递减,-e \gt f(x) \gt f(x_0) , 没有零点;

x \gt 1, f'(x) \gt 0, 函数 f(x) 单调递增,最多有1个零点;

所以, a \lt 0 不符合要求;

(3) 若 a \gt 0,

x \lt 1, f'(x) \lt 0, 函数 f(x) 单调递减;

x \gt 1, f'(x) \gt 0, 函数 f(x) 单调递增;

x \lt 0, 0 \lt e^x \lt 1, x-2 \lt 0, (x-2)e^x \gt x-2

函数 g(x)=ax^x+(1-2a)x +a-2 的开口向上,所以,存在 x_3 \in (-\infty,0), 当 x \lt x_3 时,g(x) \gt 0, 从而

(x-2)e^x+a(x-1)^2 \gt 0

所以,在 (-\infty,1) 区间,存在 f(x) 的1个零点;

x \gt 2, f(x) \gt 0, 所以,在 (1,2) 区间存在 f(x) 的1个零点;

综上所述, a 的取值范围为 (0,+\infty)

【解答问题Ⅱ】

根据前节推导的结论,不妨设 x_1 \in (-\infty,1), x_2 \in (1,2).

因为 x_1,x_2f(x) 的零点,所以 f(x_2)=0

(2-x_2-1)^2=(x_2-1)^2

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