已知函数f(x)=(x−1)ln⁡xf\left(x\right)=\left(x-1\right)\ln x,.g(x)=x−ln⁡x−3e(1).g\left(x\right)=x-\ln x-\dfrac{3}{e}(1)求证:函数y=f(x)y=f\left(x\right)的图象恒在函数y=g(x)y=g\left(x\right)图象的上方; (2)当m>0m>0时,令h(x)=mf(x)+g(x)h\left(x\right)=mf\left(x\right)+g\left(x\right)的两个零点x1{{x}_{1}},x2(x1<x2).{{x}_{2}}\left({{x}_{1}}< {{x}_{2}}\right).求证:x2−x1<e−1e.{{x}_{2}}-{{x}_{1}}< e-\dfrac{1}{e}.

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完整解法

(1)

1. 构造差函数并将问题转化为求函数的最小值

要证函数 y=f(x)y=f(x) 的图象恒在函数 y=g(x)y=g(x) 图象的上方,即证对于任意 x>0x > 0,f(x)−g(x)>0f(x) - g(x) > 0。
设 F(x)=f(x)−g(x)F(x) = f(x) - g(x),则:
F(x)=(x−1)ln⁡x−(x−ln⁡x−3e)=xln⁡x−x+3e(x>0)F(x) = (x-1)\ln x - \left(x - \ln x - \frac{3}{e}\right) = x\ln x - x + \frac{3}{e} \quad (x > 0)

2. 求导数并分析函数的单调性

对 F(x)F(x) 求导得:
F′(x)=ln⁡x+x⋅1x−1=ln⁡xF'(x) = \ln x + x \cdot \frac{1}{x} - 1 = \ln x
当 x∈(0,1)x \in (0, 1) 时,F′(x)<0F'(x) < 0,F(x)F(x) 单调递减;
当 x∈(1,+∞)x \in (1, +\infty) 时,F′(x)>0F'(x) > 0,F(x)F(x) 单调递增。

3. 计算最小值并完成证明

因此,当 x=1x = 1 时,F(x)F(x) 取得最小值:
F(x)min⁡=F(1)=1⋅ln⁡1−1+3e=3e−1F(x)_{\min} = F(1) = 1 \cdot \ln 1 - 1 + \frac{3}{e} = \frac{3}{e} - 1
因为 e<3e < 3,所以 3e>1\frac{3}{e} > 1,即 F(1)=3e−1>0F(1) = \frac{3}{e} - 1 > 0。
故对任意 x>0x > 0,均有 F(x)≥F(1)>0F(x) \ge F(1) > 0,即 f(x)>g(x)f(x) > g(x)。
所以函数 y=f(x)y=f(x) 的图象恒在函数 y=g(x)y=g(x) 图象的上方。

答案

已证:函数 y=f(x)y=f(x) 的图象恒在函数 y=g(x)y=g(x) 图象的上方。

(2)

1. 分析函数 $h(x)$ 的单调性

由题意得 h(x)=mf(x)+g(x)=m(x−1)ln⁡x+x−ln⁡x−3eh(x) = m f(x) + g(x) = m(x-1)\ln x + x - \ln x - \frac{3}{e} (x>0x > 0)。
对 h(x)h(x) 求导得:
h′(x)=m(ln⁡x+1−1x)+1−1x=(m+1)(1−1x)+mln⁡xh'(x) = m\left(\ln x + 1 - \frac{1}{x}\right) + 1 - \frac{1}{x} = \left(m + 1\right)\left(1 - \frac{1}{x}\right) + m \ln x
设 ϕ(x)=ln⁡x+1−1x\phi(x) = \ln x + 1 - \frac{1}{x},则 ϕ′(x)=1x+1x2>0\phi'(x) = \frac{1}{x} + \frac{1}{x^2} > 0,故 ϕ(x)\phi(x) 在 (0,+∞)(0, +\infty) 上单调递增,且 ϕ(1)=0\phi(1) = 0。
因此:
当 x∈(0,1)x \in (0, 1) 时,ϕ(x)<0\phi(x) < 0 且 1−1x<01 - \frac{1}{x} < 0,又 m>0m > 0,所以 h′(x)<0h'(x) < 0,h(x)h(x) 在 (0,1)(0, 1) 上单调递减;
当 x∈(1,+∞)x \in (1, +\infty) 时,ϕ(x)>0\phi(x) > 0 且 1−1x>01 - \frac{1}{x} > 0,又 m>0m > 0,所以 h′(x)>0h'(x) > 0,h(x)h(x) 在 (1,+∞)(1, +\infty) 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)h(x) 的表达式计算特殊点处的函数值:

  1. 当 x=1x = 1 时,h(1)=m⋅0+1−0−3e=1−3e<0h(1) = m \cdot 0 + 1 - 0 - \frac{3}{e} = 1 - \frac{3}{e} < 0;
  2. 当 x=1ex = \frac{1}{e} 时,f(1e)=(1e−1)(−1)=1−1e>0f\left(\frac{1}{e}\right) = \left(\frac{1}{e}-1\right)(-1) = 1 - \frac{1}{e} > 0,g(1e)=1e−(−1)−3e=1−2e>0g\left(\frac{1}{e}\right) = \frac{1}{e} - (-1) - \frac{3}{e} = 1 - \frac{2}{e} > 0(因为 e>2e > 2),
    故 h(1e)=mf(1e)+g(1e)>0h\left(\frac{1}{e}\right) = m f\left(\frac{1}{e}\right) + g\left(\frac{1}{e}\right) > 0;
  3. 当 x=ex = e 时,f(e)=(e−1)⋅1=e−1>0f(e) = (e-1) \cdot 1 = e - 1 > 0,g(e)=e−1−3e>0g(e) = e - 1 - \frac{3}{e} > 0(因为 e≈2.718e \approx 2.718,e−1−3e≈0.615>0e - 1 - \frac{3}{e} \approx 0.615 > 0),
    故 h(e)=mf(e)+g(e)>0h(e) = m f(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)h(x) 在 [1e,1]\left[\frac{1}{e}, 1\right] 和 [1,e][1, e] 上连续,且:

  • 在区间 (1e,1)\left(\frac{1}{e}, 1\right) 上,h(1e)>0h\left(\frac{1}{e}\right) > 0,h(1)<0h(1) < 0,且 h(x)h(x) 单调递减,故 h(x)h(x) 在 (1e,1)\left(\frac{1}{e}, 1\right) 内存在唯一零点 x1x_1,即 1e<x1<1\frac{1}{e} < x_1 < 1;
  • 在区间 (1,e)(1, e) 上,h(1)<0h(1) < 0,h(e)>0h(e) > 0,且 h(x)h(x) 单调递增,故 h(x)h(x) 在 (1,e)(1, e) 内存在唯一零点 x2x_2,即 1<x2<e1 < x_2 < e。

由 1e<x1<1\frac{1}{e} < x_1 < 1 可得 −1<−x1<−1e-1 < -x_1 < -\frac{1}{e},
与 1<x2<e1 < x_2 < e 相加得:
x2−x1<e−1ex_2 - x_1 < e - \frac{1}{e}
得证。

答案

已证:x2−x1<e−1ex_2 - x_1 < e - \dfrac{1}{e}。

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