已知函数f(x)=ln⁡xx−a(a∈R).(1)f\left(x\right)=\dfrac{{\rm\ln}x}{x}-a\left(a\in R\right).(1)若函数f(x)f(x)有两个零点,求aa的取值范围; (2)设函数f(x)f(x)的两个零点为mm,nn,求证:mn  >  e2.{\rm mn}{\rm\;>\;}{e}^{2}.

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完整解法

(1)

1. 将零点问题转化为两函数图象的交点问题

由题意,函数 f(x)=ln⁡xx−af(x) = \dfrac{\ln x}{x} - a 的定义域为 (0,+∞)(0, +\infty).
令 g(x)=ln⁡xxg(x) = \dfrac{\ln x}{x},则函数 f(x)f(x) 有两个零点等价于方程 g(x)=ag(x) = a 有两个不同的实根,即函数 y=g(x)y = g(x) 的图象与直线 y=ay = a 有两个不同的交点。

2. 求导并确定函数 $g(x)$ 的单调性与极值

求导得 g′(x)=1x⋅x−ln⁡xx2=1−ln⁡xx2g'(x) = \dfrac{\frac{1}{x} \cdot x - \ln x}{x^2} = \dfrac{1 - \ln x}{x^2}.
令 g′(x)=0g'(x) = 0,得 x=ex = e.
当 0<x<e0 < x < e 时,g′(x)>0g'(x) > 0,g(x)g(x) 在 (0,e)(0, e) 上单调递增;
当 x>ex > e 时,g′(x)<0g'(x) < 0,g(x)g(x) 在 (e,+∞)(e, +\infty) 上单调递减。
因此,当 x=ex = e 时,g(x)g(x) 取得极大值,也是最大值 g(e)=1eg(e) = \dfrac{1}{e}。

3. 分析边界行为并求出 $a$ 的取值范围

当 x→0+x \to 0^+ 时,g(x)→−∞g(x) \to -\infty;
当 x→+∞x \to +\infty 时,g(x)→0g(x) \to 0。
结合 g(x)g(x) 的单调性,其大致图象在 yy 轴右侧,自 −∞-\infty 递增至最大值 1e\dfrac{1}{e},随后递减趋近于 00。
因此,要使直线 y=ay = a 与 y=g(x)y = g(x) 有两个不同的交点,需满足 0<a<1e0 < a < \dfrac{1}{e}。
故 aa 的取值范围是 (0,1e)\left(0, \dfrac{1}{e}\right)。

答案

aa 的取值范围是 (0,1e)\left(0, \dfrac{1}{e}\right)

(2)

1. 由零点关系列出等式并作差作和变形

设 m>n>0m > n > 0。由题意知 m,nm, n 是 f(x)f(x) 的两个零点,则:
ln⁡mm=a\dfrac{\ln m}{m} = a,且 ln⁡nn=a\dfrac{\ln n}{n} = a,即 ln⁡m=am\ln m = am,ln⁡n=an\ln n = an。
两式相减得:ln⁡m−ln⁡n=a(m−n)\ln m - \ln n = a(m - n),得 a=ln⁡m−ln⁡nm−na = \dfrac{\ln m - \ln n}{m - n};
两式相加得:ln⁡m+ln⁡n=a(m+n)\ln m + \ln n = a(m + n),代入 aa 得:
ln⁡m+ln⁡n=m+nm−n(ln⁡m−ln⁡n)\ln m + \ln n = \dfrac{m + n}{m - n} (\ln m - \ln n)。

2. 引入自变量比值 $t$,转化为一元不等式

设 t=mn>1t = \dfrac{m}{n} > 1,则:
ln⁡m+ln⁡n=t+1t−1ln⁡t\ln m + \ln n = \dfrac{t + 1}{t - 1} \ln t。
要证 mn>e2mn > e^2,只需证 ln⁡(mn)>2\ln(mn) > 2,即证 ln⁡m+ln⁡n>2\ln m + \ln n > 2。
代入得:t+1t−1ln⁡t>2\dfrac{t + 1}{t - 1} \ln t > 2。
因为 t>1t > 1,所以 t−1>0t - 1 > 0,上式等价于 ln⁡t>2(t−1)t+1\ln t > \dfrac{2(t - 1)}{t + 1}。

3. 构造辅助函数,利用导数证明不等式

构造函数 h(t)=ln⁡t−2(t−1)t+1h(t) = \ln t - \dfrac{2(t - 1)}{t + 1} (t≥1t \ge 1)。
求导得:h′(t)=1t−2(t+1)−2(t−1)(t+1)2=1t−4(t+1)2=(t−1)2t(t+1)2h'(t) = \dfrac{1}{t} - \dfrac{2(t + 1) - 2(t - 1)}{(t + 1)^2} = \dfrac{1}{t} - \dfrac{4}{(t + 1)^2} = \dfrac{(t - 1)^2}{t(t + 1)^2}。
当 t>1t > 1 时,h′(t)>0h'(t) > 0,所以 h(t)h(t) 在 [1,+∞)[1, +\infty) 上单调递增。
从而当 t>1t > 1 时,h(t)>h(1)=0h(t) > h(1) = 0。
即 ln⁡t>2(t−1)t+1\ln t > \dfrac{2(t - 1)}{t + 1} 成立。
因此 ln⁡m+ln⁡n>2\ln m + \ln n > 2,进而 ln⁡(mn)>2\ln(mn) > 2,故 mn>e2mn > e^2 得证。

答案

证明见解析

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