已知函数记为的导函数. (1)若曲线在点处的切线垂直于直线,求的值; (2)讨论的解的个数; (3)证明:对任意的,恒有.
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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 求导,得:
当 时,切线斜率为:
2. 根据直线垂直的斜率关系求出 $a$ 的值
直线 的斜率为 。
因为曲线在 处的切线垂直于该直线,所以切线斜率满足:
即 ,解得 。
答案
(2)
1. 写出 $g(x)$ 的解析式并求其导函数 $g'(x)$
由题意得 (定义域为 )。
对 求导,得:
2. 分析 $g(x)$ 的单调性与最小值
当 时,, 单调递减;
当 时,, 单调递增。
因此, 在 处取得极小值,也是最小值:
且当 时,;当 时,。
3. 按 $a$ 的取值范围讨论方程 $g(x) = 0$ 解的个数
根据最小值 的符号分类讨论:
① 当 时,,由于 的最小值为正,故 恒成立,方程 无解,解的个数为 ;
② 当 时,, 是唯一的零点,故方程 的解的个数为 ;
③ 当 时,,结合 在 和 上的单调性以及端点极限,在区间 和 内各存在一个零点,故方程 的解的个数为 。
答案
当 时,解的个数为 ;
当 时,解的个数为 ;
当 时,解的个数为 。
(3)
1. 转化待证不等式
对于任意 ,有 。
要证 ,由于 ,两边同乘以 等价于证明:
即 。
2. 构造辅助函数并求导判断单调性
构造函数 ()。
代入 ,得:
对 求导:
3. 结合单调性完成不等式的证明
当 时, 且 ,所以 。
因此 在 上单调递减。
因为 ,所以 ,即:
两边同除以负数 ,不等号方向改变,得:
命题得证。
答案
证明见解析
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