已知函数f(x)=x2−ax(a≠0)f(x)=x^{2}-ax(a\neq 0),g(x)=ln⁡xg(x)=\ln x,f(x)f(x)图象与xx轴异于原点的交点MM处的切线为l1l_{1},g(x−1)g(x-1)与xx轴的交点NN处的切线为l2l_{2},并且l1l_{1}与l2l_{2}平行. (1)求f(2)f(2)的值; (2)已知实数t∈Rt∈R,求函数y=f[xg(x)+t]y=f[xg(x)+t],x∈[1,e]x∈[1,e]的最小值; (3)令F(x)=g(x)+g′(x)F(x)=g(x)+g′(x),给定x1x_{1},x2∈(1,+∞)x_{2}∈(1,+∞),x1<x2x_{1} < x_{2},对于两个大于11的正数αα,ββ,存在实数mm满足:α=mx1+(1−m)x2α=mx_{1}+(1-m)x_{2},β=(1−m)x1+mx2β=(1-m)x_{1}+mx_{2},并且使得不等式∣F(α)−F(β)∣<∣F(x1)−F(x2)∣|F(α)-F(β)| < |F(x_{1})-F(x_{2})|恒成立,求实数mm的取值范围.

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完整解法

(1)

1. 求曲线 $f(x)$ 和 $g(x-1)$ 与 $x$ 轴交点的坐标及其切线斜率

由 f(x)=x2−ax(a≠0)f(x) = x^2 - ax (a \neq 0),令 f(x)=0f(x) = 0,解得 x=0x = 0 或 x=ax = a。
因为 MM 是异于原点的交点,所以 M(a,0)M(a, 0)。
对 f(x)f(x) 求导得 f′(x)=2x−af'(x) = 2x - a,故切线 l1l_1 的斜率为 k1=f′(a)=2a−a=ak_1 = f'(a) = 2a - a = a。

又已知 g(x)=ln⁡xg(x) = \ln x,则 g(x−1)=ln⁡(x−1)g(x-1) = \ln(x-1) (x>1x > 1)。
令 g(x−1)=0g(x-1) = 0,解得 x−1=1x - 1 = 1,即 x=2x = 2。
所以交点 NN 的坐标为 (2,0)(2, 0)。
对 g(x−1)g(x-1) 求导得 [g(x−1)]′=1x−1[g(x-1)]' = \dfrac{1}{x-1},故切线 l2l_2 的斜率为 k2=12−1=1k_2 = \dfrac{1}{2-1} = 1。

2. 根据切线平行求出 $a$ 的值,进而计算 $f(2)$

因为 l1∥l2l_1 \parallel l_2,所以 k1=k2k_1 = k_2,即 a=1a = 1。
由此可得 f(x)=x2−xf(x) = x^2 - x。
将 x=2x = 2 代入得 f(2)=22−2=2f(2) = 2^2 - 2 = 2。

答案

f(2)=2f(2) = 2

(2)

1. 确定内层函数 $u(x) = x\ln x + t$ 在 $x\in[1, e]$ 上的取值范围

由 (1) 知 f(x)=x2−xf(x) = x^2 - x。
设 h(x)=xln⁡xh(x) = x \ln x,x∈[1,e]x \in [1, e]。
求导得 h′(x)=ln⁡x+1h'(x) = \ln x + 1。
当 x∈[1,e]x \in [1, e] 时,ln⁡x≥0\ln x \ge 0,则 h′(x)≥1>0h'(x) \ge 1 > 0,
所以 h(x)h(x) 在 [1,e][1, e] 上单调递增。
当 x=1x = 1 时,h(1)=0h(1) = 0;当 x=ex = e 时,h(e)=eh(e) = e。
故当 x∈[1,e]x \in [1, e] 时,h(x)∈[0,e]h(x) \in [0, e]。
设 u=xln⁡x+tu = x \ln x + t,则 u∈[t,e+t]u \in [t, e+t]。

2. 对二次函数 $f(u) = u^2 - u$ 在 $u\in[t, e+t]$ 上的对称轴位置进行分类讨论求最小值

原问题转化为求 y=f(u)=u2−uy = f(u) = u^2 - u 在 u∈[t,e+t]u \in [t, e+t] 上的最小值。
二次函数 f(u)=u2−uf(u) = u^2 - u 的开口向上,对称轴为 u=12u = \dfrac{1}{2}。

① 当 12<t\dfrac{1}{2} < t(即 t>12t > \dfrac{1}{2})时,对称轴在区间 [t,e+t][t, e+t] 左侧,f(u)f(u) 在 [t,e+t][t, e+t] 上单调递增,
最小值在 u=tu = t 处取得,为 ymin⁡=f(t)=t2−ty_{\min} = f(t) = t^2 - t。

② 当 t≤12≤e+tt \le \dfrac{1}{2} \le e+t(即 12−e≤t≤12\dfrac{1}{2} - e \le t \le \dfrac{1}{2})时,对称轴在区间 [t,e+t][t, e+t] 内部,
最小值在顶点 u=12u = \dfrac{1}{2} 处取得,为 ymin⁡=f(12)=−14y_{\min} = f\left(\dfrac{1}{2}\right) = -\dfrac{1}{4}。

③ 当 e+t<12e+t < \dfrac{1}{2}(即 t<12−et < \dfrac{1}{2} - e)时,对称轴在区间 [t,e+t][t, e+t] 右侧,f(u)f(u) 在 [t,e+t][t, e+t] 上单调递减,
最小值在 u=e+tu = e+t 处取得,为 ymin⁡=f(e+t)=(e+t)2−(e+t)=t2+(2e−1)t+e2−ey_{\min} = f(e+t) = (e+t)^2 - (e+t) = t^2 + (2e-1)t + e^2 - e。

答案

当 t>12t > \dfrac{1}{2} 时,最小值为 t2−tt^2 - t;
当 12−e≤t≤12\dfrac{1}{2} - e \le t \le \dfrac{1}{2} 时,最小值为 −14-\dfrac{1}{4};
当 t<12−et < \dfrac{1}{2} - e 时,最小值为 t2+(2e−1)t+e2−et^2 + (2e-1)t + e^2 - e。

(3)

1. 确定 $F(x) = g(x) + g'(x)$ 的解析式并证明其在 $(1, +\infty)$ 上的单调性

由 g(x)=ln⁡xg(x) = \ln x,得 g′(x)=1xg'(x) = \dfrac{1}{x},
则 F(x)=ln⁡x+1xF(x) = \ln x + \dfrac{1}{x} (x>1x > 1)。
对 F(x)F(x) 求导得 F′(x)=1x−1x2=x−1x2F'(x) = \dfrac{1}{x} - \dfrac{1}{x^2} = \dfrac{x-1}{x^2}。
当 x∈(1,+∞)x \in (1, +\infty) 时,x−1>0x - 1 > 0,故 F′(x)>0F'(x) > 0。
因此,F(x)F(x) 在 (1,+∞)(1, +\infty) 上严格单调递增。

2. 利用单调性将不等式转化为关于 $m$ 的绝对值不等式并求解

因为 F(x)F(x) 在 (1,+∞)(1, +\infty) 上严格单调递增,且 α,β>1\alpha, \beta > 1,
所以对任意 a,b∈(1,+∞)a, b \in (1, +\infty),∣F(a)−F(b)∣<∣F(x1)−F(x2)∣  ⟺  ∣a−b∣<∣x1−x2∣|F(a) - F(b)| < |F(x_1) - F(x_2)| \iff |a - b| < |x_1 - x_2|。
计算 α−β\alpha - \beta:
α−β=[mx1+(1−m)x2]−[(1−m)x1+mx2]=(2m−1)(x1−x2)\alpha - \beta = [m x_1 + (1-m) x_2] - [(1-m) x_1 + m x_2] = (2m - 1)(x_1 - x_2)。
因此 ∣F(α)−F(β)∣<∣F(x1)−F(x2)∣  ⟺  ∣2m−1∣⋅∣x1−x2∣<∣x1−x2∣|F(\alpha) - F(\beta)| < |F(x_1) - F(x_2)| \iff |2m - 1| \cdot |x_1 - x_2| < |x_1 - x_2|。
因为 x1<x2x_1 < x_2,所以 ∣x1−x2∣>0|x_1 - x_2| > 0,两边同除以 ∣x1−x2∣|x_1 - x_2| 得:
∣2m−1∣<1  ⟺  −1<2m−1<1  ⟺  0<m<1|2m - 1| < 1 \iff -1 < 2m - 1 < 1 \iff 0 < m < 1。

当 0<m<10 < m < 1 时,由 x1,x2∈(1,+∞)x_1, x_2 \in (1, +\infty) 知 α,β\alpha, \beta 作为 x1,x2x_1, x_2 的内分点,必有 α,β∈(x1,x2)⊂(1,+∞)\alpha, \beta \in (x_1, x_2) \subset (1, +\infty),恒满足 α,β>1\alpha, \beta > 1。
故实数 mm 的取值范围是 (0,1)(0, 1)。

答案

(0,1)(0, 1)

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