设函数f(x)=ax−ax−2ln⁡xf(x)=ax- \dfrac {a}{x}-2\ln x. (1)若f(x)f(x)在x=2x=2时有极值,求实数aa的值和f(x)f(x)的极大值; (2)若f(x)f(x)在定义域上是增函数,求实数aa的取值范围.

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完整解法

(1)

1. 对函数进行求导

已知函数 f(x)=ax−ax−2ln⁡xf(x)=ax- \dfrac {a}{x}-2\ln x,其定义域为 (0,+∞)(0, +\infty)。
对其求导得:
f′(x)=a+ax2−2xf'(x) = a + \dfrac{a}{x^2} - \dfrac{2}{x}

2. 利用极值条件求出参数 $a$ 的值

若 f(x)f(x) 在 x=2x=2 时有极值,则必有 f′(2)=0f'(2) = 0。
代入 x=2x=2 得:
a+a4−1=0  ⟹  54a=1  ⟹  a=45a + \dfrac{a}{4} - 1 = 0 \implies \dfrac{5}{4}a = 1 \implies a = \dfrac{4}{5}

3. 确定单调区间并验证极值点

当 a=45a = \dfrac{4}{5} 时,导函数为:
f′(x)=45+45x2−2x=4x2−10x+45x2=2(2x−1)(x−2)5x2f'(x) = \dfrac{4}{5} + \dfrac{4}{5x^2} - \dfrac{2}{x} = \dfrac{4x^2 - 10x + 4}{5x^2} = \dfrac{2(2x-1)(x-2)}{5x^2}
令 f′(x)=0f'(x) = 0,解得 x=12x = \dfrac{1}{2} 或 x=2x = 2。
当 x∈(0,12)x \in (0, \dfrac{1}{2}) 时,f′(x)>0f'(x) > 0,函数 f(x)f(x) 单调递增;
当 x∈(12,2)x \in (\dfrac{1}{2}, 2) 时,f′(x)<0f'(x) < 0,函数 f(x)f(x) 单调递减;
当 x∈(2,+∞)x \in (2, +\infty) 时,f′(x)>0f'(x) > 0,函数 f(x)f(x) 单调递增。
因此,当 x=2x = 2 时 f(x)f(x) 取得极小值,当 x=12x = \dfrac{1}{2} 时 f(x)f(x) 取得极大值,验证符合题意。

4. 计算函数的极大值

将 x=12x = \dfrac{1}{2} 代入原函数,得极大值为:
f(12)=45⋅12−4512−2ln⁡(12)=25−85+2ln⁡2=2ln⁡2−65f\left(\dfrac{1}{2}\right) = \dfrac{4}{5} \cdot \dfrac{1}{2} - \dfrac{\frac{4}{5}}{\frac{1}{2}} - 2\ln\left(\dfrac{1}{2}\right) = \dfrac{2}{5} - \dfrac{8}{5} + 2\ln 2 = 2\ln 2 - \dfrac{6}{5}

答案

a=45a = \dfrac{4}{5},极大值为 2ln⁡2−652\ln 2 - \dfrac{6}{5}

(2)

1. 将单调性条件转化为导数不等式恒成立问题

若 f(x)f(x) 在定义域 (0,+∞)(0, +\infty) 上是增函数,则导函数 f′(x)⩾0f'(x) \geqslant 0 在 (0,+∞)(0, +\infty) 上恒成立。
即 a+ax2−2x⩾0a + \dfrac{a}{x^2} - \dfrac{2}{x} \geqslant 0 在 x>0x > 0 时恒成立。

2. 通过代数变形对参数进行分离

将不等式通分可得:
ax2−2x+ax2⩾0\dfrac{ax^2 - 2x + a}{x^2} \geqslant 0
因为 x>0x > 0,所以 x2>0x^2 > 0,不等式等价于:
ax2−2x+a⩾0  ⟹  a(x2+1)⩾2xax^2 - 2x + a \geqslant 0 \implies a(x^2 + 1) \geqslant 2x
因为 x2+1>0x^2 + 1 > 0,故分离参数可得:
a⩾2xx2+1a \geqslant \dfrac{2x}{x^2 + 1} 恒成立。

3. 利用基本不等式求出右侧函数的最大值

设 g(x)=2xx2+1g(x) = \dfrac{2x}{x^2 + 1} (x>0x > 0)。
因为 x>0x > 0,可以将分子分母同时除以 xx,变形为:
g(x)=2x+1xg(x) = \dfrac{2}{x + \frac{1}{x}}
由基本不等式可得 x+1x⩾2x⋅1x=2x + \dfrac{1}{x} \geqslant 2\sqrt{x \cdot \frac{1}{x}} = 2(当且仅当 x=1x = 1 时等号成立)。
因此,g(x)⩽22=1g(x) \leqslant \dfrac{2}{2} = 1
即 g(x)g(x) 的最大值为 11。

4. 确定参数 $a$ 的取值范围并做必要验证

要使 a⩾g(x)a \geqslant g(x) 恒成立,只需 aa 大于或等于 g(x)g(x) 的最大值,即:
a⩾1a \geqslant 1
当 a=1a = 1 时,f′(x)=(x−1)2x2⩾0f'(x) = \dfrac{(x-1)^2}{x^2} \geqslant 0,导数仅在 x=1x=1 时为零,其余区间均大于零,符合增函数定义。
综上,实数 aa 的取值范围是 [1,+∞)[1, +\infty)。

答案

[1,+∞)[1, +\infty)

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