1. 写出分段函数表达式并求出 $x < 0$ 和 $x > 0$ 时的导函数
已知函数 y=ex∣x∣,可以写成如下分段函数的形式:
y=⎩⎨⎧exx,−exx,x≥0x<0
当 x<0 时,对其求导可得:
y′=(−xe−x)′=−e−x+xe−x=exx−1
当 x>0 时,对其求导可得:
y′=(xe−x)′=e−x−xe−x=ex1−x
2. 计算曲线在 $x=-1$ 和 $x=x_0$ 处的切线斜率
将 x=−1 代入 x<0 时的导函数,可得在 x=−1 处的切线斜率为:
k1=y′∣−1=e−1−1−1=−2e
将 x=x0(x0>0) 代入 x>0 时的导函数,可得在 x=x0 处的切线斜率为:
k2=y′∣x0=ex01−x0
3. 利用垂直关系建立关于 $x_0$ 的方程并引入换元简化方程
因为两切线互相垂直,所以斜率之积为 −1,即 k1⋅k2=−1:
(−2e)⋅ex01−x0=−1⇒2(1−x0)e1−x0=1
令 t=1−x0,代入上式,可将方程简化为:
tet=21
4. 利用零点存在定理估算 $t$ 的范围,进而确定 $x_0$ 与 $m$ 的值
构造函数 g(t)=tet−21,对 t 求导得 g′(t)=(t+1)et。
当 t>−1 时,g′(t)>0,所以 g(t) 在 (−1,+∞) 上单调递增。
利用特殊值估算零点所在区间:
g(41)=41e1/4−21=4e1/4−2<0(因 e<16⇒e1/4<2)
g(21)=21e1/2−21=2e−1>0(因 e>1⇒e>1)
由函数零点存在定理可知,方程 g(t)=0 的根 t0∈(41,21)。
由于 x0=1−t0,可得:
x0∈(1−21,1−41)⇒x0∈(21,43)
即 x0∈(42,43)。
对照已知 x0∈(4m,4m+1),m∈Z,可得 m=2。