已知函数 F(x)=px+ln⁡⁡(px)(F(x)= \dfrac{p}{x}+\ln ⁡(px) (其中 p>0).(1)p > 0).(1)当 p=12p=\dfrac{1}{2} 时,判断 F(x)F(x) 零点的个数kk; (2)在(1)的条件下,记这些零点分别为 xi(i=1,2,⋯ ,k){{x}_{i}}(i=1,2,\cdots ,k) ,求证: 1x1+1x2+⋯+1xk>4\dfrac{1}{{{x}_{1}}}+\dfrac{1}{{{x}_{2}}}+\cdots +\dfrac{1}{{{x}_{k}}} > 4 .

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完整解法

(1)

1. 代入 $p=\dfrac{1}{2}$ 并求出函数 $F(x)$ 的导函数

当 p=12p = \dfrac{1}{2} 时,F(x)=12x+ln⁡(x2)F(x) = \dfrac{1}{2x} + \ln\left(\dfrac{x}{2}\right),定义域为 (0,+∞)(0, +\infty).
对 F(x)F(x) 求导得:
F′(x)=−12x2+1x=2x−12x2F'(x) = -\dfrac{1}{2x^2} + \dfrac{1}{x} = \dfrac{2x - 1}{2x^2}

2. 分析函数的单调性与极小值

令 F′(x)=0F'(x) = 0,解得 x=12x = \dfrac{1}{2}.
当 x∈(0,12)x \in \left(0, \dfrac{1}{2}\right) 时,F′(x)<0F'(x) < 0,F(x)F(x) 单调递减;
当 x∈(12,+∞)x \in \left(\dfrac{1}{2}, +\infty\right) 时,F′(x)>0F'(x) > 0,F(x)F(x) 单调递增.
故 x=12x = \dfrac{1}{2} 是 F(x)F(x) 的唯一极小值点,极小值为:
F(12)=12×12+ln⁡(14)=1−2ln⁡2=1−ln⁡4F\left(\dfrac{1}{2}\right) = \dfrac{1}{2 \times \frac{1}{2}} + \ln\left(\dfrac{1}{4}\right) = 1 - 2\ln 2 = 1 - \ln 4
因为 e<4e < 4,所以 ln⁡4>1\ln 4 > 1,即 F(12)<0F\left(\dfrac{1}{2}\right) < 0.

3. 结合端点极限与零点存在定理确定零点个数

当 x→0+x \to 0^+ 时,12x→+∞\dfrac{1}{2x} \to +\infty 且 ln⁡(x2)\ln\left(\dfrac{x}{2}\right) 的发散速度慢于 12x\dfrac{1}{2x},故 F(x)→+∞F(x) \to +\infty(例如取 x=e−2x = e^{-2},则 F(e−2)=e22−2−ln⁡2>0F(e^{-2}) = \dfrac{e^2}{2} - 2 - \ln 2 > 0);
当 x→+∞x \to +\infty 时,F(x)→+∞F(x) \to +\infty(例如取 x=2e2x = 2e^2,则 F(2e2)=14e2+2>0F(2e^2) = \dfrac{1}{4e^2} + 2 > 0).
根据函数零点存在定理,函数 F(x)F(x) 在区间 (0,12)\left(0, \dfrac{1}{2}\right) 和 (12,+∞)\left(\dfrac{1}{2}, +\infty\right) 上各有一个零点.
因此,零点的个数 k=2k = 2.

答案

k=2k = 2

(2)

1. 换元改写零点满足的方程与目标不等式

由 (1) 知 k=2k = 2,不妨设 0<x1<12<x20 < x_1 < \dfrac{1}{2} < x_2.
零点方程为 12xi+ln⁡(xi2)=0\dfrac{1}{2x_i} + \ln\left(\dfrac{x_i}{2}\right) = 0 (i=1,2i = 1, 2).
设 t=12xt = \dfrac{1}{2x},则 x=12tx = \dfrac{1}{2t},原方程化为:
t+ln⁡(14t)=0  ⟺  t−ln⁡(4t)=0  ⟺  t−ln⁡t=ln⁡4t + \ln\left(\dfrac{1}{4t}\right) = 0 \iff t - \ln(4t) = 0 \iff t - \ln t = \ln 4
设 t1=12x1t_1 = \dfrac{1}{2x_1},t2=12x2t_2 = \dfrac{1}{2x_2},则 t1>1>t2>0t_1 > 1 > t_2 > 0,且 t1,t2t_1, t_2 是方程 g(t)=t−ln⁡t=ln⁡4g(t) = t - \ln t = \ln 4 的两个实根.
目标不等式 1x1+1x2>4\dfrac{1}{x_1} + \dfrac{1}{x_2} > 4 等价于 2t1+2t2>4  ⟺  t1+t2>22t_1 + 2t_2 > 4 \iff t_1 + t_2 > 2.

2. 构造对称差函数并用导数判断单调性

考虑构造函数 h(t)=g(t)−g(2−t)=(t−ln⁡t)−[(2−t)−ln⁡(2−t)]h(t) = g(t) - g(2 - t) = (t - \ln t) - [(2 - t) - \ln(2 - t)],其中 t∈(1,2)t \in (1, 2).
对 h(t)h(t) 求导:
h′(t)=1−1t−[−1+12−t]=2−1t−12−t=2t(2−t)−(2−t)−tt(2−t)=−2(t−1)2t(2−t)h'(t) = 1 - \dfrac{1}{t} - \left[-1 + \dfrac{1}{2 - t}\right] = 2 - \dfrac{1}{t} - \dfrac{1}{2 - t} = \dfrac{2t(2 - t) - (2 - t) - t}{t(2 - t)} = \dfrac{-2(t - 1)^2}{t(2 - t)}
当 t∈(1,2)t \in (1, 2) 时,t>0t > 0 且 2−t>02 - t > 0,故 h′(t)<0h'(t) < 0.
所以 h(t)h(t) 在 (1,2)(1, 2) 上单调递减.

3. 推导 $t_1 + t_2 > 2$ 并得出最终结论

由于 h(t)h(t) 在 (1,2)(1, 2) 上单调递减,且 h(1)=0h(1) = 0,故对于任意 t∈(1,2)t \in (1, 2),有 h(t)<h(1)=0h(t) < h(1) = 0,即 g(t)<g(2−t)g(t) < g(2 - t).
若 t1⩾2t_1 \geqslant 2,因为 t2>0t_2 > 0,则 t1+t2>2t_1 + t_2 > 2 显然成立.
若 1<t1<21 < t_1 < 2,则有 g(t1)<g(2−t1)g(t_1) < g(2 - t_1).
又因为 g(t1)=g(t2)=ln⁡4g(t_1) = g(t_2) = \ln 4,所以 g(t2)<g(2−t1)g(t_2) < g(2 - t_1).
因为 g′(t)=1−1t<0g'(t) = 1 - \dfrac{1}{t} < 0 在 (0,1)(0, 1) 上恒成立,g(t)g(t) 在 (0,1)(0, 1) 上单调递减,
又 t2∈(0,1)t_2 \in (0, 1) 且 2−t1∈(0,1)2 - t_1 \in (0, 1),
由 g(t2)<g(2−t1)g(t_2) < g(2 - t_1) 可得 t2>2−t1t_2 > 2 - t_1,即 t1+t2>2t_1 + t_2 > 2.
综上所述,必有 t1+t2>2t_1 + t_2 > 2,即 12x1+12x2>2\dfrac{1}{2x_1} + \dfrac{1}{2x_2} > 2,
变形得 1x1+1x2>4\dfrac{1}{x_1} + \dfrac{1}{x_2} > 4.原命题得证.

答案

证明见正文。

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