设函数f(x)=ax−ax−2ln⁡xf(x)=ax- \dfrac {a}{x}-2\ln x. (1)若f(x)f(x)在x=2x=2时有极值,求实数aa的值和f(x)f(x)的极大值; (2)若f(x)f(x)在定义域上是增函数,求实数aa的取值范围.

完整解法

(1)

1. 求导函数并由极值点列方程求出 a

f(x)f(x) 的定义域为 (0,+∞)(0, +\infty)。
对 f(x)f(x) 求导得:
f′(x)=a+ax2−2x=ax2−2x+ax2f'(x) = a + \dfrac{a}{x^2} - \dfrac{2}{x} = \dfrac{ax^2 - 2x + a}{x^2}
因为 f(x)f(x) 在 x=2x=2 处取得极值,所以 f′(2)=0f'(2) = 0,即:
4a−4+a4=0  ⟹  5a−4=0  ⟹  a=45\dfrac{4a - 4 + a}{4} = 0 \implies 5a - 4 = 0 \implies a = \dfrac{4}{5}

2. 检验单调性并求极大值

当 a=45a = \dfrac{4}{5} 时,
f′(x)=45x2−2x+45x2=2(2x−1)(x−2)5x2f'(x) = \dfrac{\frac{4}{5}x^2 - 2x + \frac{4}{5}}{x^2} = \dfrac{2(2x - 1)(x - 2)}{5x^2}
令 f′(x)=0f'(x) = 0,解得 x1=12x_1 = \dfrac{1}{2},x2=2x_2 = 2。
当 x∈(0,12)x \in \left(0, \dfrac{1}{2}\right) 时,f′(x)>0f'(x) > 0,f(x)f(x) 单调递增;
当 x∈(12,2)x \in \left(\dfrac{1}{2}, 2\right) 时,f′(x)<0f'(x) < 0,f(x)f(x) 单调递减;
当 x∈(2,+∞)x \in (2, +\infty) 时,f′(x)>0f'(x) > 0,f(x)f(x) 单调递增。
因此,f(x)f(x) 在 x=2x = 2 处取得极小值,在 x=12x = \dfrac{1}{2} 处取得极大值,符合题意。
极大值为:
f(12)=45×12−4512−2ln⁡(12)=25−85+2ln⁡2=−65+2ln⁡2f\left(\dfrac{1}{2}\right) = \dfrac{4}{5} \times \dfrac{1}{2} - \dfrac{\frac{4}{5}}{\frac{1}{2}} - 2\ln\left(\dfrac{1}{2}\right) = \dfrac{2}{5} - \dfrac{8}{5} + 2\ln 2 = -\dfrac{6}{5} + 2\ln 2

答案

a=45a = \dfrac{4}{5},f(x)f(x) 的极大值为 −65+2ln⁡2-\dfrac{6}{5} + 2\ln 2

(2)

1. 将函数单调性转化为导函数非负恒成立并分离参数

f(x)f(x) 的定义域为 (0,+∞)(0, +\infty),若 f(x)f(x) 在 (0,+∞)(0, +\infty) 上是增函数,则 f′(x)≥0f'(x) \ge 0 在 (0,+∞)(0, +\infty) 上恒成立(且不恒为 00)。
即:
f′(x)=ax2−2x+ax2≥0f'(x) = \dfrac{ax^2 - 2x + a}{x^2} \ge 0
因为 x>0x > 0,所以 x2>0x^2 > 0,故:
ax2−2x+a≥0  ⟹  a(x2+1)≥2xax^2 - 2x + a \ge 0 \implies a(x^2 + 1) \ge 2x
由于 x2+1>0x^2 + 1 > 0,两边同除以 x2+1x^2 + 1,得:
a≥2xx2+1a \ge \dfrac{2x}{x^2 + 1} 对任意 x∈(0,+∞)x \in (0, +\infty) 恒成立。

2. 求出最值并确定 a 的取值范围

设 g(x)=2xx2+1g(x) = \dfrac{2x}{x^2 + 1} (x>0x > 0)。
由基本不等式可得:
x2+1≥2x2⋅1=2xx^2 + 1 \ge 2\sqrt{x^2 \cdot 1} = 2x
当且仅当 x=1x = 1 时等号成立。
所以:
g(x)=2xx2+1≤1g(x) = \dfrac{2x}{x^2 + 1} \le 1
即 g(x)g(x) 的最大值为 11。
因此 a≥1a \ge 1。
当 a=1a = 1 时,f′(x)=(x−1)2x2≥0f'(x) = \dfrac{(x - 1)^2}{x^2} \ge 0,仅在 x=1x = 1 时 f′(x)=0f'(x) = 0,f(x)f(x) 在 (0,+∞)(0, +\infty) 上为单调递增函数,符合题意。
综上,实数 aa 的取值范围是 [1,+∞)[1, +\infty)。

答案

[1,+∞)[1, +\infty)

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