已知函数g(x)=1x⋅sin⁡θ+ln⁡x在[1,+∞)g(x)= \dfrac {1}{x\cdot \sin \theta }+\ln x{在}[1,+∞)上为增函数,且θ∈(0,π),f(x)=mx−m−1+2ex−ln⁡x,m∈Rθ∈(0,π),f(x)=mx- \dfrac {m-1+2e}{x}-\ln x,m∈R. (1)求θθ的值; (2)若在[1,e][1,e]上至少存在一个x0x_{0},使得f(x0)>g(x0)f(x_{0}) > g(x_{0})成立,求mm的取值范围.

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完整解法

(1)

1. 对函数 $g(x)$ 求导

已知 g(x)=1xsin⁡θ+ln⁡xg(x) = \dfrac{1}{x\sin\theta} + \ln x,对 g(x)g(x) 求导得:
g′(x)=−1x2sin⁡θ+1x=xsin⁡θ−1x2sin⁡θg'(x) = -\dfrac{1}{x^2 \sin\theta} + \dfrac{1}{x} = \dfrac{x\sin\theta - 1}{x^2 \sin\theta}

2. 利用单调性条件列出不等式并求解 $\theta$

因为 g(x)g(x) 在 [1,+∞)[1,+\infty) 上为增函数,所以 g′(x)⩾0g'(x) \geqslant 0 在 [1,+∞)[1,+\infty) 上恒成立。
由 θ∈(0,π)\theta \in (0,\pi) 知 sin⁡θ>0\sin\theta > 0,所以 xsin⁡θ−1⩾0x\sin\theta - 1 \geqslant 0 在 [1,+∞)[1,+\infty) 上恒成立。
当 x=1x=1 时,xsin⁡θ−1x\sin\theta - 1 取得最小值 sin⁡θ−1\sin\theta - 1,因此必须有:
sin⁡θ−1⩾0  ⟹  sin⁡θ⩾1\sin\theta - 1 \geqslant 0 \implies \sin\theta \geqslant 1
又因为对任意实数 θ\theta 均有 sin⁡θ⩽1\sin\theta \leqslant 1,故 sin⁡θ=1\sin\theta = 1。
又 θ∈(0,π)\theta \in (0,\pi),解得 θ=π2\theta = \dfrac{\pi}{2}。

答案

θ=π2\theta = \dfrac{\pi}{2}

(2)

1. 代入第(1)问结论并化简存在性条件

将 θ=π2\theta = \dfrac{\pi}{2} 代入得 g(x)=1x+ln⁡xg(x) = \dfrac{1}{x} + \ln x。
题目条件等价于:在 [1,e][1,e] 上至少存在一个 x0x_0,使得 f(x0)−g(x0)>0f(x_0) - g(x_0) > 0。
设 h(x)=f(x)−g(x)=mx−m−1+2ex−ln⁡x−(1x+ln⁡x)=mx−m+2ex−2ln⁡xh(x) = f(x) - g(x) = mx - \dfrac{m-1+2e}{x} - \ln x - \left(\dfrac{1}{x} + \ln x\right) = mx - \dfrac{m+2e}{x} - 2\ln x。
当 x=1x=1 时,h(1)=m−(m+2e)−0=−2e<0h(1) = m - (m+2e) - 0 = -2e < 0,所以 x0≠1x_0 \neq 1,即 x0∈(1,e]x_0 \in (1,e]。

2. 分离参数 $m$ 转化问题

对于 x∈(1,e]x \in (1,e],h(x)>0  ⟺  mx−m+2ex−2ln⁡x>0h(x) > 0 \iff mx - \dfrac{m+2e}{x} - 2\ln x > 0。
变形得:
m(x−1x)>2ex+2ln⁡xm\left(x - \dfrac{1}{x}\right) > \dfrac{2e}{x} + 2\ln x
因为 x∈(1,e]x \in (1,e],所以 x−1x>0x - \dfrac{1}{x} > 0,两边同除以 x−1x=x2−1xx - \dfrac{1}{x} = \dfrac{x^2 - 1}{x},得到:
m>2(e+xln⁡x)x2−1m > \dfrac{2(e + x\ln x)}{x^2 - 1}
因此,在 [1,e][1,e] 上存在 x0x_0 使得 f(x0)>g(x0)f(x_0) > g(x_0),等价于:
m>min⁡x∈(1,e]2(e+xln⁡x)x2−1m > \min_{x \in (1,e]} \dfrac{2(e + x\ln x)}{x^2 - 1}

3. 利用导数研究新函数的单调性

设 F(x)=2(e+xln⁡x)x2−1F(x) = \dfrac{2(e + x\ln x)}{x^2 - 1},x∈(1,e]x \in (1,e]。
对 F(x)F(x) 求导:
F′(x)=2⋅(ln⁡x+1)(x2−1)−(e+xln⁡x)(2x)(x2−1)2=2(−x2ln⁡x+x2−ln⁡x−2ex−1)(x2−1)2F'(x) = 2 \cdot \dfrac{(\ln x + 1)(x^2 - 1) - (e + x\ln x)(2x)}{(x^2 - 1)^2} = \dfrac{2(-x^2\ln x + x^2 - \ln x - 2ex - 1)}{(x^2 - 1)^2}
设 ϕ(x)=−x2ln⁡x+x2−ln⁡x−2ex−1\phi(x) = -x^2\ln x + x^2 - \ln x - 2ex - 1,则:
ϕ′(x)=−2xln⁡x−x+2x−1x−2e=−2xln⁡x+x−1x−2e\phi'(x) = -2x\ln x - x + 2x - \dfrac{1}{x} - 2e = -2x\ln x + x - \dfrac{1}{x} - 2e
当 x∈(1,e]x \in (1,e] 时,−2xln⁡x<0-2x\ln x < 0 且 x−1x<e−1e<2ex - \dfrac{1}{x} < e - \dfrac{1}{e} < 2e,故 ϕ′(x)<0\phi'(x) < 0。
又 ϕ(1)=−2e<0\phi(1) = -2e < 0,所以对任意 x∈(1,e]x \in (1,e],均有 ϕ(x)<0\phi(x) < 0。
因此 F′(x)<0F'(x) < 0,即 F(x)F(x) 在 (1,e](1,e] 上单调递减。

4. 求出最小值并确定 $m$ 的范围

因为 F(x)F(x) 在 (1,e](1,e] 上单调递减,所以:
F(x)min⁡=F(e)=2(e+eln⁡e)e2−1=4ee2−1F(x)_{\min} = F(e) = \dfrac{2(e + e\ln e)}{e^2 - 1} = \dfrac{4e}{e^2 - 1}
故 m>4ee2−1m > \dfrac{4e}{e^2 - 1}。
即 mm 的取值范围是 (4ee2−1,+∞)\left(\dfrac{4e}{e^2 - 1}, +\infty\right)。

答案

m∈(4ee2−1,+∞)m \in \left(\dfrac{4e}{e^2 - 1}, +\infty\right)

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