已知函数f(x)=exf(x)=e^{x},g(x)=a2x+b(a,b∈R)g(x)= \dfrac {a}{2}x+b(a,b∈R), (1)若h(x)=f(x)g(x)h(x)=f(x)g(x),b=1−a2.b=1- \dfrac {a}{2}.求h(x)h(x)在[0,1][0,1]上的最大值φ(a)φ(a)的表达式; (2)若a=4a=4时,方程f(x)=g(x)f(x)=g(x)在[0,2][0,2]上恰有两个相异实根,求实根bb的取值范围.

先不看答案,让 AI 诊断你卡在哪里?

它不会直接告诉你答案,而是问你卡在哪一步看看 AI 是怎么陪你一步步弄懂这道题的

完整解法

(1)

1. 求出 $h(x)$ 的解析式及其导函数 $h'(x)$

将 b=1−a2b = 1 - \dfrac{a}{2} 代入 g(x)g(x),得 g(x)=a2x+1−a2g(x) = \dfrac{a}{2}x + 1 - \dfrac{a}{2}。
则 h(x)=f(x)g(x)=ex(a2x+1−a2)h(x) = f(x)g(x) = e^x \left( \dfrac{a}{2}x + 1 - \dfrac{a}{2} \right)
对 h(x)h(x) 求导:
h′(x)=ex(a2x+1−a2)+ex⋅a2=ex(a2x+1)h'(x) = e^x \left( \dfrac{a}{2}x + 1 - \dfrac{a}{2} \right) + e^x \cdot \dfrac{a}{2} = e^x \left( \dfrac{a}{2}x + 1 \right)

2. 分情况讨论 $h'(x)$ 在 $[0,1]$ 上的正负,确定单调性并求最大值

由于 ex>0e^x > 0,h′(x)h'(x) 的符号由 a2x+1\dfrac{a}{2}x + 1 决定。
① 当 a≥0a \ge 0 时,对于 x∈[0,1]x \in [0,1],有 a2x+1>0\dfrac{a}{2}x + 1 > 0,则 h′(x)>0h'(x) > 0,h(x)h(x) 在 [0,1][0,1] 上单调递增。
故 h(x)h(x) 的最大值为 φ(a)=h(1)=e1(a2+1−a2)=e\varphi(a) = h(1) = e^1 \left( \dfrac{a}{2} + 1 - \dfrac{a}{2} \right) = e。

② 当 a<0a < 0 时,令 h′(x)=0h'(x) = 0,解得驻点 x0=−2a>0x_0 = -\dfrac{2}{a} > 0。

  • 若 x0≥1x_0 \ge 1,即 −2a≥1  ⟹  −2≤a<0-\dfrac{2}{a} \ge 1 \implies -2 \le a < 0,则在 x∈[0,1]x \in [0,1] 上,h′(x)≥0h'(x) \ge 0,h(x)h(x) 在 [0,1][0,1] 上单调递增。
    故最大值为 φ(a)=h(1)=e\varphi(a) = h(1) = e。
  • 若 x0<1x_0 < 1,即 −2a<1  ⟹  a<−2-\dfrac{2}{a} < 1 \implies a < -2,则在 x∈[0,−2a)x \in \left[0, -\dfrac{2}{a}\right) 上 h′(x)>0h'(x) > 0,h(x)h(x) 单调递增;在 x∈(−2a,1]x \in \left(-\dfrac{2}{a}, 1\right] 上 h′(x)<0h'(x) < 0,h(x)h(x) 单调递减。
    故 h(x)h(x) 在 x=−2ax = -\dfrac{2}{a} 处取得最大值:
    φ(a)=h(−2a)=e−2a[a2(−2a)+1−a2]=−a2e−2a\varphi(a) = h\left(-\dfrac{2}{a}\right) = e^{-\frac{2}{a}} \left[ \dfrac{a}{2}\left(-\dfrac{2}{a}\right) + 1 - \dfrac{a}{2} \right] = -\dfrac{a}{2} e^{-\frac{2}{a}}

3. 总结最大值 $\varphi(a)$ 的分段表达式

综上所述,φ(a)\varphi(a) 的表达式为:
φ(a)={e,a≥−2−a2e−2a,a<−2\varphi(a) = \begin{cases} e, & a \ge -2 \\ -\dfrac{a}{2} e^{-\frac{2}{a}}, & a < -2 \end{cases}

答案

φ(a)={e,a≥−2−a2e−2a,a<−2\varphi(a) = \begin{cases} e, & a \ge -2 \\ -\dfrac{a}{2} e^{-\frac{2}{a}}, & a < -2 \end{cases}

(2)

1. 将方程转化为函数与常数 $b$ 的交点问题

当 a=4a = 4 时,g(x)=2x+bg(x) = 2x + b。
方程 f(x)=g(x)f(x) = g(x) 即 ex=2x+be^x = 2x + b,变形为 b=ex−2xb = e^x - 2x
设函数 F(x)=ex−2xF(x) = e^x - 2x (x∈[0,2]x \in [0,2]),则原方程在 [0,2][0,2] 上恰有两个相异实根,等价于直线 y=by = b 与曲线 y=F(x)y = F(x) 在 [0,2][0,2] 上恰有两个不同的交点。

2. 求导分析 $F(x)$ 在 $[0,2]$ 上的单调性与极值

对 F(x)F(x) 求导,得 F′(x)=ex−2F'(x) = e^x - 2。
令 F′(x)=0F'(x) = 0,解得 x=ln⁡2x = \ln 2。
因为 ln⁡2∈(0,2)\ln 2 \in (0,2),所以:

  • 当 x∈[0,ln⁡2)x \in [0, \ln 2) 时,F′(x)<0F'(x) < 0,F(x)F(x) 单调递减;
  • 当 x∈(ln⁡2,2]x \in (\ln 2, 2] 时,F′(x)>0F'(x) > 0,F(x)F(x) 单调递增。

极小值(也是最小值)为 F(ln⁡2)=eln⁡2−2ln⁡2=2−2ln⁡2F(\ln 2) = e^{\ln 2} - 2\ln 2 = 2 - 2\ln 2

3. 计算端点值并确定 $b$ 的取值范围

计算区间端点的函数值:

  • F(0)=e0−0=1F(0) = e^0 - 0 = 1
  • F(2)=e2−4F(2) = e^2 - 4

因为 e≈2.718e \approx 2.718,所以 e2−4>2.7182−4≈3.389>1e^2 - 4 > 2.718^2 - 4 \approx 3.389 > 1。
即 F(ln⁡2)<F(0)<F(2)F(\ln 2) < F(0) < F(2)。
要使直线 y=by = b 与 y=F(x)y = F(x) 在 x∈[0,2]x \in [0,2] 上有两个不同的交点,需满足:
F(ln⁡2)<b≤F(0)F(\ln 2) < b \le F(0)
即 2−2ln⁡2<b≤12 - 2\ln 2 < b \le 1

答案

2−2ln⁡2<b≤12 - 2\ln 2 < b \le 1

AI 分析,可能出错

用 AI 批改,圈出写错的那一步,并自动将你的薄弱点存入错题本,形成你的错因库。

同一知识点的其他题

  1. 1对于函数f(x)=x2+2xf(x)=x^{2}+2x,在使f(x)⩾Mf(x)\geqslant M成立的所有实数MM中,我们把MM的最大值Mmax=−1M_{max}=-1叫做函数f(x)=x2+2xf(x)=x^{2}+2x的下确界,则对于a∈Ra∈R,…
  2. 2已知函数y=f(x)y=f(x)是定义在RR上的偶函数,且在区间[0,+∞)[0,+\infty)上单调递增,若实数mm满足f(log⁡3m)⩾f(1)f({{\log}_{3}}m)\geqslant f(1),则mm的取值范围为___.
  3. 3函数y=22sin⁡x−1y=\dfrac{2}{2\sin x-1}的值域是()(\quad) A. [−23,2]\left[-\dfrac{2}{3},2\right] B. (−∞,−23]∪[2,+∞)\left(-∞,-\dfrac{2}{3}\right]∪[2,+∞) …
  4. 4下列函数是偶函数的是()() A. y=2x2−3y=2x^{2}-3 B. y=x3y=x^{3} C. y=x2y=x^{2},x∈[0,1]x∈[0,1] D. y=xy=x
  5. 5下列命题为真命题的是()(\quad) A. ∃x0∈R\text{∃} x_{0}\in R,x02+4x0+6⩽0x_{0}^{2}\text{+}4x_{0}+6\leqslant 0 B. 正切函数y=tan⁡xy=\tan x的定义域为RR…