已知aa是正数,若互不相等的正实数xx,yy满足等式(2x−ye)⋅ln⁡yx=xae\left(2x- \dfrac{y}{e}\right)·\ln \dfrac{y}{x}= \dfrac{x}{ae} ,则aa的最小值为
A. ee
B. 1e2\dfrac{1}{{e}^{2}}
C. 12e2\dfrac{1}{2{e}^{2}}
D. 1e\dfrac{1}{e}

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完整解法

1. 通过换元简化等式并确定新变量的取值范围

已知等式为 (2x−ye)⋅ln⁡yx=xae\left(2x- \dfrac{y}{e}\right)\cdot\ln \dfrac{y}{x}= \dfrac{x}{ae}。
因为 x>0x > 0,等式两边同除以 xx,可得:
(2−yex)⋅ln⁡yx=1ae\left(2 - \dfrac{y}{ex}\right)\cdot\ln \dfrac{y}{x} = \dfrac{1}{ae}
两边同乘以 ee,得:
(2e−yx)⋅ln⁡yx=1a\left(2e - \dfrac{y}{x}\right)\cdot\ln \dfrac{y}{x} = \dfrac{1}{a}
设 t=yxt = \dfrac{y}{x}。因为 x,yx, y 是互不相等的正实数,所以 t>0t > 0 且 t≠1t \neq 1。
等式化为 (2e−t)ln⁡t=1a(2e - t)\ln t = \dfrac{1}{a},即 a=1(2e−t)ln⁡ta = \dfrac{1}{(2e - t)\ln t}。
因为 a>0a > 0,所以 (2e−t)ln⁡t>0(2e - t)\ln t > 0。
当 t>1t > 1 时,ln⁡t>0\ln t > 0,则 2e−t>0  ⟹  t<2e2e - t > 0 \implies t < 2e,故 1<t<2e1 < t < 2e;
当 0<t<10 < t < 1 时,ln⁡t<0\ln t < 0,则 2e−t<0  ⟹  t>2e2e - t < 0 \implies t > 2e,无解。
因此,变量 tt 的取值范围为 t∈(1,2e)t \in (1, 2e),且 a=1(2e−t)ln⁡ta = \dfrac{1}{(2e - t)\ln t}。

2. 构造函数并对其求导

令 g(t)=(2e−t)ln⁡tg(t) = (2e - t)\ln t,其中 t∈(1,2e)t \in (1, 2e)。
对 g(t)g(t) 求导,得:
g′(t)=−ln⁡t+2e−tt=2et−1−ln⁡tg'(t) = -\ln t + \dfrac{2e - t}{t} = \dfrac{2e}{t} - 1 - \ln t。
令 h(t)=2et−1−ln⁡th(t) = \dfrac{2e}{t} - 1 - \ln t。

3. 利用导数分析函数单调性并求其最大值

对 h(t)h(t) 求导,可得 h′(t)=−2et2−1th'(t) = -\dfrac{2e}{t^2} - \dfrac{1}{t}。
因为 t∈(1,2e)t \in (1, 2e),所以 h′(t)<0h'(t) < 0 恒成立,即 h(t)h(t) 在 (1,2e)(1, 2e) 上单调递减。
注意到 h(e)=2ee−1−ln⁡e=2−1−1=0h(e) = \dfrac{2e}{e} - 1 - \ln e = 2 - 1 - 1 = 0。
当 1<t<e1 < t < e 时,h(t)>0h(t) > 0,即 g′(t)>0g'(t) > 0,此时 g(t)g(t) 单调递增;
当 e<t<2ee < t < 2e 时,h(t)<0h(t) < 0,即 g′(t)<0g'(t) < 0,此时 g(t)g(t) 单调递减。
因此,当 t=et = e 时,g(t)g(t) 取得最大值,最大值为 g(e)=(2e−e)ln⁡e=eg(e) = (2e - e)\ln e = e。

4. 求得a的最小值并得出结论

因为 a=1g(t)a = \dfrac{1}{g(t)} 且 g(t)g(t) 在 t∈(1,2e)t \in (1, 2e) 上的最大值为 ee,
所以 aa 的最小值为 1g(e)=1e\dfrac{1}{g(e)} = \dfrac{1}{e}。
故选 D。

答案

D

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