1. 分析函数 $h(x)$ 的单调性
由题意得 h(x)=mf(x)+g(x)=m(x−1)lnx+x−lnx−e3 (x>0)。
对 h(x) 求导得:
h′(x)=m(lnx+1−x1)+1−x1=(m+1)(1−x1)+mlnx
设 ϕ(x)=lnx+1−x1,则 ϕ′(x)=x1+x21>0,故 ϕ(x) 在 (0,+∞) 上单调递增,且 ϕ(1)=0。
因此:
当 x∈(0,1) 时,ϕ(x)<0 且 1−x1<0,又 m>0,所以 h′(x)<0,h(x) 在 (0,1) 上单调递减;
当 x∈(1,+∞) 时,ϕ(x)>0 且 1−x1>0,又 m>0,所以 h′(x)>0,h(x) 在 (1,+∞) 上单调递增。
2. 计算特殊点的函数值符号,缩小零点范围
根据 h(x) 的表达式计算特殊点处的函数值:
- 当 x=1 时,h(1)=m⋅0+1−0−e3=1−e3<0;
- 当 x=e1 时,f(e1)=(e1−1)(−1)=1−e1>0,g(e1)=e1−(−1)−e3=1−e2>0(因为 e>2),
故 h(e1)=mf(e1)+g(e1)>0;
- 当 x=e 时,f(e)=(e−1)⋅1=e−1>0,g(e)=e−1−e3>0(因为 e≈2.718,e−1−e3≈0.615>0),
故 h(e)=mf(e)+g(e)>0。
3. 结合零点存在定理确定零点区间并完成证明
因为 h(x) 在 [e1,1] 和 [1,e] 上连续,且:
- 在区间 (e1,1) 上,h(e1)>0,h(1)<0,且 h(x) 单调递减,故 h(x) 在 (e1,1) 内存在唯一零点 x1,即 e1<x1<1;
- 在区间 (1,e) 上,h(1)<0,h(e)>0,且 h(x) 单调递增,故 h(x) 在 (1,e) 内存在唯一零点 x2,即 1<x2<e。
由 e1<x1<1 可得 −1<−x1<−e1,
与 1<x2<e 相加得:
x2−x1<e−e1
得证。
答案已证:x2−x1<e−e1。