已知函数f(x)=ex−axf(x)= \dfrac {e^{x}-a}{x},g(x)=aln⁡x+ag(x)=a\ln x+a. (1)a=1(1)a=1时,求F(x)=f(x)−g(x)F(x)=f(x)-g(x)的单调区间; (2)若x>1x > 1时,函数y=f(x)y=f(x)的图象总在函数y=g(x)y=g(x)的图象的上方,求实数aa的取值范围.

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完整解法

(1)

1. 写出 $a=1$ 时 $F(x)$ 的解析式及其定义域

a=1a=1 时,F(x)=f(x)−g(x)=ex−1x−ln⁡x−1F(x) = f(x) - g(x) = \dfrac{e^x - 1}{x} - \ln x - 1。
因为含有对数项 ln⁡x\ln x,所以函数 F(x)F(x) 的定义域为 (0,+∞)(0, +\infty)。

2. 求导并化简导函数

对 F(x)F(x) 求导得:
F′(x)=ex⋅x−(ex−1)x2−1x=xex−ex+1−xx2=(x−1)(ex−1)x2F'(x) = \dfrac{e^x \cdot x - (e^x - 1)}{x^2} - \dfrac{1}{x} = \dfrac{xe^x - e^x + 1 - x}{x^2} = \dfrac{(x-1)(e^x - 1)}{x^2}

3. 通过导函数的符号确定函数的单调区间

因为 x>0x > 0,所以 ex−1>0e^x - 1 > 0 且 x2>0x^2 > 0。
令 F′(x)>0F'(x) > 0,得 x−1>0x - 1 > 0,即 x>1x > 1;
令 F′(x)<0F'(x) < 0,得 x−1<0x - 1 < 0,即 0<x<10 < x < 1。
所以 F(x)F(x) 的单调递增区间为 [1,+∞)[1, +\infty),单调递减区间为 (0,1](0, 1]。

答案

单调递增区间为 [1,+∞)[1, +\infty),单调递减区间为 (0,1](0, 1]

(2)

1. 构造辅助函数并确定不等式恒成立条件

因为当 x>1x > 1 时,函数 y=f(x)y=f(x) 的图象总在 y=g(x)y=g(x) 的图象上方,即 f(x)>g(x)f(x) > g(x) 恒成立。
构造函数 F(x)=f(x)−g(x)=ex−ax−aln⁡x−aF(x) = f(x) - g(x) = \dfrac{e^x - a}{x} - a\ln x - a (x>1x > 1),则在 (1,+∞)(1, +\infty) 上 F(x)>0F(x) > 0 恒成立。

2. 求导函数并化简形式

求导得:
F′(x)=ex⋅x−(ex−a)x2−ax=xex−ex+a−axx2=(x−1)(ex−a)x2F'(x) = \dfrac{e^x \cdot x - (e^x - a)}{x^2} - \dfrac{a}{x} = \dfrac{xe^x - e^x + a - ax}{x^2} = \dfrac{(x-1)(e^x - a)}{x^2}

3. 分类讨论:当 $a \le e$ 时的情况

① 当 a≤ea \le e 时:
因为 x>1x > 1,所以 ex>e1=e≥ae^x > e^1 = e \ge a,从而 ex−a>0e^x - a > 0 恒成立。
又 x−1>0x-1 > 0,x2>0x^2 > 0,所以 F′(x)>0F'(x) > 0。
故 F(x)F(x) 在 (1,+∞)(1, +\infty) 上单调递增。
要使 F(x)>0F(x) > 0 在 (1,+∞)(1, +\infty) 上恒成立,只需 F(1)≥0F(1) \ge 0。
F(1)=e−a−a=e−2a≥0  ⟹  a≤e2F(1) = e - a - a = e - 2a \ge 0 \implies a \le \dfrac{e}{2}。
由于 e2<e\dfrac{e}{2} < e,所以此时实数 aa 的取值范围为 a≤e2a \le \dfrac{e}{2}。

4. 分类讨论:当 $a > e$ 时的情况

② 当 a>ea > e 时,则 ln⁡a>1\ln a > 1。
由 F′(x)=0F'(x) = 0 且 x>1x > 1 得 x=ln⁡ax = \ln a。
当 1<x<ln⁡a1 < x < \ln a 时,F′(x)<0F'(x) < 0,F(x)F(x) 单调递减;
当 x>ln⁡ax > \ln a 时,F′(x)>0F'(x) > 0,F(x)F(x) 单调递增。
所以 F(x)F(x) 在 x=ln⁡ax = \ln a 处取得极小值,即最小值 F(ln⁡a)F(\ln a)。
要使 F(x)>0F(x) > 0 恒成立,只需 F(ln⁡a)>0F(\ln a) > 0。
F(ln⁡a)=eln⁡a−aln⁡a−aln⁡(ln⁡a)−a=−aln⁡(ln⁡a)−a>0F(\ln a) = \dfrac{e^{\ln a} - a}{\ln a} - a\ln(\ln a) - a = -a\ln(\ln a) - a > 0
因为 a>e>0a > e > 0,所以 ln⁡(ln⁡a)+1<0  ⟹  ln⁡a<e−1=1e  ⟹  a<e1e\ln(\ln a) + 1 < 0 \implies \ln a < e^{-1} = \dfrac{1}{e} \implies a < e^{\frac{1}{e}}。
但由于 e1e<ee^{\frac{1}{e}} < e,这与 a>ea > e 矛盾,故此时无解。

5. 综上所述,得出实数 $a$ 的取值范围

综上所述,实数 aa 的取值范围为 a≤e2a \le \dfrac{e}{2}。

答案

a≤e2a \le \dfrac{e}{2}

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