设函数f(x)=ln⁡xf(x)=\ln x,g(x)=xx+1g(x)=\dfrac{x}{x+1},记F(x)=f(x)−g(x)(1)F(x)=f(x)-g(x)(1)求曲线y=f(x)y=f(x)在x=ex=e处的切线方程; (2)求函数F(x)F(x)在[1e,e2][\dfrac{1}{e},e^{2}]上的最值.

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完整解法

(1)

1. 求切点坐标及切线斜率

对 f(x)=ln⁡xf(x) = \ln x 求导,得 f′(x)=1xf'(x) = \dfrac{1}{x}。
当 x=ex = e 时,f(e)=ln⁡e=1f(e) = \ln e = 1,切点坐标为 (e,1)(e, 1)。
切线斜率 k=f′(e)=1ek = f'(e) = \dfrac{1}{e}。

2. 利用点斜式写出切线方程并化简

由点斜式得切线方程为:
y−1=1e(x−e)y - 1 = \frac{1}{e}(x - e)
化简得:
y=1ex(或 x−ey=0)y = \frac{1}{e}x \quad \text{(或 } x - ey = 0 \text{)}

答案

切线方程为 y=1exy = \dfrac{1}{e}x(或 x−ey=0x - ey = 0)

(2)

1. 求 $F(x)$ 的导函数 $F'(x)$

由题意,F(x)=ln⁡x−xx+1F(x) = \ln x - \dfrac{x}{x+1}(定义域 x>0x > 0)。
对 F(x)F(x) 求导:
F′(x)=1x−1⋅(x+1)−x⋅1(x+1)2=1x−1(x+1)2=(x+1)2−xx(x+1)2=x2+x+1x(x+1)2F'(x) = \frac{1}{x} - \frac{1 \cdot (x+1) - x \cdot 1}{(x+1)^2} = \frac{1}{x} - \frac{1}{(x+1)^2} = \frac{(x+1)^2 - x}{x(x+1)^2} = \frac{x^2 + x + 1}{x(x+1)^2}

2. 判断 $F(x)$ 在 $[\dfrac{1}{e}, e^2]$ 上的单调性

当 x∈[1e,e2]x \in [\frac{1}{e}, e^2] 时,因为 x>0x > 0,
分子 x2+x+1=(x+12)2+34>0x^2 + x + 1 = (x + \frac{1}{2})^2 + \frac{3}{4} > 0,分母 x(x+1)2>0x(x+1)^2 > 0。
因此 F′(x)>0F'(x) > 0 在 [1e,e2][\frac{1}{e}, e^2] 上恒成立,
故 F(x)F(x) 在 [1e,e2][\frac{1}{e}, e^2] 上单调递增。

3. 求端点函数值,确定最大值与最小值

因为 F(x)F(x) 在 [1e,e2][\frac{1}{e}, e^2] 上单调递增:
最小值在 x=1ex = \frac{1}{e} 处取得:
F(1e)=ln⁡(1e)−1e1e+1=−1−1e+1=−e+2e+1F\left(\frac{1}{e}\right) = \ln\left(\frac{1}{e}\right) - \frac{\frac{1}{e}}{\frac{1}{e} + 1} = -1 - \frac{1}{e + 1} = -\frac{e + 2}{e + 1}
最大值在 x=e2x = e^2 处取得:
F(e2)=ln⁡(e2)−e2e2+1=2−e2e2+1=e2+2e2+1F(e^2) = \ln(e^2) - \frac{e^2}{e^2 + 1} = 2 - \frac{e^2}{e^2 + 1} = \frac{e^2 + 2}{e^2 + 1}

答案

最小值是 −e+2e+1-\dfrac{e+2}{e+1},最大值是 $\dfrac{e^2+2}{e^2+1}$

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