已知函数f(x)=ex−k−xf(x)=e^{x-k}-x,(x∈R)(1)(x∈R)(1)当k=0k=0时,若函数f(x)⩾mf(x)\geqslant m在RR上恒成立,求实数mm的取值范围; (2)试判断当k>1k > 1时,函数f(x)f(x)在(k,2k)(k,2k)内是否存在零点.

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完整解法

(1)

1. 求出当 $k=0$ 时函数的导函数并求驻点

当 k=0k=0 时,函数 f(x)=ex−xf(x)=e^x-x(x∈Rx\in\mathbb{R})。
求导得 f′(x)=ex−1f'(x)=e^x-1。
令 f′(x)=0f'(x)=0,解得 x=0x=0。

2. 分析单调性并求出函数 $f(x)$ 的最小值

当 x<0x < 0 时,f′(x)<0f'(x) < 0,f(x)f(x) 单调递减;
当 x>0x > 0 时,f′(x)>0f'(x) > 0,f(x)f(x) 单调递增。
因此,当 x=0x=0 时,f(x)f(x) 取得极小值也是最小值,且最小值为 f(0)=e0−0=1f(0)=e^0-0=1。

3. 由恒成立条件求出 $m$ 的取值范围

若 f(x)⩾mf(x) \geqslant m 在 R\mathbb{R} 上恒成立,则需满足 m⩽f(x)min⁡m \leqslant f(x)_{\min},
即 m⩽1m \leqslant 1。
故实数 mm 的取值范围是 m⩽1m \leqslant 1(或表示为 (−∞,1](-\infty, 1])。

答案

m⩽1m \leqslant 1(或 (−∞,1](-\infty, 1])

(2)

1. 分析 $f(x)$ 在区间 $(k, 2k)$ 上的单调性

当 k>1k > 1 时,f(x)=ex−k−xf(x)=e^{x-k}-x,求导得 f′(x)=ex−k−1f'(x)=e^{x-k}-1。
当 x∈(k,2k)x \in (k, 2k) 时,x−k>0x - k > 0,故 ex−k>e0=1e^{x-k} > e^0 = 1,
所以 f′(x)=ex−k−1>0f'(x) = e^{x-k} - 1 > 0。
因此,函数 f(x)f(x) 在区间 [k,2k][k, 2k] 上单调递增。

2. 判断区间端点函数值 $f(k)$ 和 $f(2k)$ 的符号

计算左端点函数值:f(k)=ek−k−k=1−kf(k) = e^{k-k} - k = 1 - k。
因为 k>1k > 1,所以 f(k)=1−k<0f(k) = 1 - k < 0。

计算右端点函数值:f(2k)=e2k−k−2k=ek−2kf(2k) = e^{2k-k} - 2k = e^k - 2k。
设辅助函数 g(k)=ek−2kg(k) = e^k - 2k(k>1k > 1),则 g′(k)=ek−2g'(k) = e^k - 2。
当 k>1k > 1 时,ek>e>2e^k > e > 2,故 g′(k)>0g'(k) > 0,g(k)g(k) 在 (1,+∞)(1, +\infty) 上单调递增。
因此 g(k)>g(1)=e−2>0g(k) > g(1) = e - 2 > 0,即 f(2k)=ek−2k>0f(2k) = e^k - 2k > 0。

3. 应用零点存在定理得出结论

由于 f(x)f(x) 在连续闭区间 [k,2k][k, 2k] 上单调递增,且 f(k)<0f(k) < 0,f(2k)>0f(2k) > 0,满足 f(k)⋅f(2k)<0f(k) \cdot f(2k) < 0,
根据函数零点存在定理,函数 f(x)f(x) 在 (k,2k)(k, 2k) 内必存在零点(且仅有一个零点)。

答案

函数 f(x)f(x) 在区间 (k,2k)(k, 2k) 内存在零点(且存在唯一零点)。

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