已知函数f(x)=−2xln⁡x+x2−2ax+a2.f(x)=-2x\ln x+x^{2}-2ax+a^{2}.记g(x)g(x)为f(x)f(x)的导函数. (1)若曲线y=f(x)y=f(x)在点(1,f(1))(1,f(1))处的切线垂直于直线x+y+3=0x+y+3=0,求aa的值; (2)讨论g(x)=0g(x)=0的解的个数; (3)证明:对任意的0<s<t<20 < s < t < 2,恒有g(s)−g(t)s−t<1 \dfrac {g(s)-g(t)}{s-t} < 1.

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完整解法

(1)

1. 求函数 $f(x)$ 的导函数 $f'(x)$ 及切点处的导数值

对 f(x)=−2xln⁡x+x2−2ax+a2f(x) = -2x\ln x + x^{2} - 2ax + a^{2} 求导,得:
f′(x)=−2(ln⁡x+1)+2x−2a=2x−2ln⁡x−2a−2f'(x) = -2(\ln x + 1) + 2x - 2a = 2x - 2\ln x - 2a - 2
当 x=1x = 1 时,切线斜率为:
k=f′(1)=2(1)−2ln⁡1−2a−2=−2ak = f'(1) = 2(1) - 2\ln 1 - 2a - 2 = -2a

2. 根据直线垂直的斜率关系求出 $a$ 的值

直线 x+y+3=0x + y + 3 = 0 的斜率为 −1-1。
因为曲线在 x=1x = 1 处的切线垂直于该直线,所以切线斜率满足:
k×(−1)=−1  ⟹  k=1k \times (-1) = -1 \implies k = 1
即 −2a=1-2a = 1,解得 a=−12a = -\dfrac{1}{2}。

答案

a=−12a = -\dfrac{1}{2}

(2)

1. 写出 $g(x)$ 的解析式并求其导函数 $g'(x)$

由题意得 g(x)=f′(x)=2x−2ln⁡x−2a−2g(x) = f'(x) = 2x - 2\ln x - 2a - 2(定义域为 (0,+∞)(0, +\infty))。
对 g(x)g(x) 求导,得:
g′(x)=2−2x=2(x−1)xg'(x) = 2 - \dfrac{2}{x} = \dfrac{2(x - 1)}{x}

2. 分析 $g(x)$ 的单调性与最小值

当 x∈(0,1)x \in (0, 1) 时,g′(x)<0g'(x) < 0,g(x)g(x) 单调递减;
当 x∈(1,+∞)x \in (1, +\infty) 时,g′(x)>0g'(x) > 0,g(x)g(x) 单调递增。
因此,g(x)g(x) 在 x=1x = 1 处取得极小值,也是最小值:
g(1)=2(1)−2ln⁡1−2a−2=−2ag(1) = 2(1) - 2\ln 1 - 2a - 2 = -2a
且当 x→0+x \to 0^+ 时,g(x)→+∞g(x) \to +\infty;当 x→+∞x \to +\infty 时,g(x)→+∞g(x) \to +\infty。

3. 按 $a$ 的取值范围讨论方程 $g(x) = 0$ 解的个数

根据最小值 g(1)=−2ag(1) = -2a 的符号分类讨论:
① 当 a<0a < 0 时,g(1)=−2a>0g(1) = -2a > 0,由于 g(x)g(x) 的最小值为正,故 g(x)>0g(x) > 0 恒成立,方程 g(x)=0g(x) = 0 无解,解的个数为 00;
② 当 a=0a = 0 时,g(1)=−2a=0g(1) = -2a = 0,x=1x = 1 是唯一的零点,故方程 g(x)=0g(x) = 0 的解的个数为 11;
③ 当 a>0a > 0 时,g(1)=−2a<0g(1) = -2a < 0,结合 g(x)g(x) 在 (0,1)(0, 1) 和 (1,+∞)(1, +\infty) 上的单调性以及端点极限,在区间 (0,1)(0, 1) 和 (1,+∞)(1, +\infty) 内各存在一个零点,故方程 g(x)=0g(x) = 0 的解的个数为 22。

答案

当 a<0a < 0 时,解的个数为 00;
当 a=0a = 0 时,解的个数为 11;
当 a>0a > 0 时,解的个数为 22。

(3)

1. 转化待证不等式

对于任意 0<s<t<20 < s < t < 2,有 s−t<0s - t < 0。
要证 g(s)−g(t)s−t<1\dfrac{g(s) - g(t)}{s - t} < 1,由于 s−t<0s - t < 0,两边同乘以 s−ts - t 等价于证明:
g(s)−g(t)>s−tg(s) - g(t) > s - t
即 g(s)−s>g(t)−tg(s) - s > g(t) - t。

2. 构造辅助函数并求导判断单调性

构造函数 h(x)=g(x)−xh(x) = g(x) - x (x∈(0,2)x \in (0, 2))。
代入 g(x)=2x−2ln⁡x−2a−2g(x) = 2x - 2\ln x - 2a - 2,得:
h(x)=x−2ln⁡x−2a−2h(x) = x - 2\ln x - 2a - 2
对 h(x)h(x) 求导:
h′(x)=1−2x=x−2xh'(x) = 1 - \dfrac{2}{x} = \dfrac{x - 2}{x}

3. 结合单调性完成不等式的证明

当 x∈(0,2)x \in (0, 2) 时,x−2<0x - 2 < 0 且 x>0x > 0,所以 h′(x)<0h'(x) < 0。
因此 h(x)h(x) 在 (0,2)(0, 2) 上单调递减。
因为 0<s<t<20 < s < t < 2,所以 h(s)>h(t)h(s) > h(t),即:
g(s)−s>g(t)−t  ⟹  g(s)−g(t)>s−tg(s) - s > g(t) - t \implies g(s) - g(t) > s - t
两边同除以负数 s−ts - t,不等号方向改变,得:
g(s)−g(t)s−t<1\dfrac{g(s) - g(t)}{s - t} < 1
命题得证。

答案

证明见解析

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