设函数f(x)=x22−kln⁡xf(x)= \dfrac {x^{2}}{2}-k\ln x,k∈Rk∈R. (1)求f(x)f(x)的单调性; (2)判断方程f(x)=0f(x)=0在区间(1,e)(1, \sqrt {e})上是否有解?若有解,说明解的个数及依据;若无解,说明理由.

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完整解法

(1)

1. 确定定义域并求导

函数 f(x)=x22−kln⁡xf(x)= \dfrac {x^{2}}{2}-k\ln x 的定义域为 (0,+∞)(0, +\infty).
求导得:f′(x)=x−kx=x2−kxf'(x) = x - \dfrac{k}{x} = \dfrac{x^2 - k}{x} (x>0x>0).

2. 分类讨论当 $k \le 0$ 时的单调性

当 k⩽0k \leqslant 0 时,对任意 x∈(0,+∞)x \in (0, +\infty),有 x2−k>0x^2 - k > 0,
此时 f′(x)>0f'(x) > 0 恒成立,所以 f(x)f(x) 在 (0,+∞)(0, +\infty) 上单调递增.

3. 分类讨论当 $k > 0$ 时的单调性

当 k>0k > 0 时,由 f′(x)=0f'(x) = 0 解得 x=kx = \sqrt{k} (负值舍去).
当 x∈(0,k)x \in (0, \sqrt{k}) 时,f′(x)<0f'(x) < 0,函数 f(x)f(x) 单调递减;
当 x∈(k,+∞)x \in (\sqrt{k}, +\infty) 时,f′(x)>0f'(x) > 0,函数 f(x)f(x) 单调递增.

答案

综上所述:
当 k⩽0k\leqslant 0 时,f(x)f(x) 在 (0,+∞)(0,+\infty) 上单调递增;
当 k>0k > 0 时,f(x)f(x) 在 (0,k)(0, \sqrt{k}) 上单调递减,在 (k,+∞)(\sqrt{k}, +\infty) 上单调递增.

(2)

1. 求端点函数值

由 f(x)=x22−kln⁡xf(x) = \dfrac{x^2}{2} - k\ln x,可得端点函数值为:
f(1)=12>0f(1) = \dfrac{1}{2} > 0,
f(e)=e−k2f(\sqrt{e}) = \dfrac{e - k}{2}.

2. 讨论 $k \le 0$ 时的情况

当 k⩽0k \leqslant 0 时,由 (1) 知 f(x)f(x) 在 (0,+∞)(0, +\infty) 上单调递增.
因为 x∈(1,e)x \in (1, \sqrt{e}),所以 f(x)>f(1)=12>0f(x) > f(1) = \dfrac{1}{2} > 0,此时方程 f(x)=0f(x)=0 在区间 (1,e)(1, \sqrt{e}) 上无解.

3. 讨论 $0 < k \le 1$ 时的情况

当 0<k⩽10 < k \leqslant 1 时,有 0<k⩽10 < \sqrt{k} \leqslant 1.
由 (1) 可知 f(x)f(x) 在 [1,+∞)[1, +\infty) 上单调递增,故在 (1,e)(1, \sqrt{e}) 上单调递增.
因为 f(1)=12>0f(1) = \dfrac{1}{2} > 0,所以对任意 x∈(1,e)x \in (1, \sqrt{e}) 均有 f(x)>0f(x) > 0,此时方程无解.

4. 讨论 $1 < k \le e$ 时的情况

当 1<k⩽e1 < k \leqslant e 时,有 1<k⩽e1 < \sqrt{k} \leqslant \sqrt{e}.
此时 f(x)f(x) 在 (1,k)(1, \sqrt{k}) 上单调递减,在 (k,e)(\sqrt{k}, \sqrt{e}) 上单调递增.
其在区间 [1,e][1, \sqrt{e}] 上的最小值为 f(k)=k2−kln⁡k=k2(1−ln⁡k)f(\sqrt{k}) = \dfrac{k}{2} - k\ln\sqrt{k} = \dfrac{k}{2}(1 - \ln k).
因为 1<k⩽e1 < k \leqslant e,所以 0<ln⁡k⩽10 < \ln k \leqslant 1,从而 f(k)⩾0f(\sqrt{k}) \geqslant 0.
若 1<k<e1 < k < e,最小值为 f(k)>0f(\sqrt{k}) > 0,因此 f(x)>0f(x) > 0 恒成立,无解.
若 k=ek = e,最小值 f(e)=0f(\sqrt{e}) = 0,但区间为开区间 (1,e)(1, \sqrt{e}),故在 (1,e)(1, \sqrt{e}) 内无解.
因此,当 1<k⩽e1 < k \leqslant e 时,方程无解.

5. 讨论 $k > e$ 时的情况并给出依据

当 k>ek > e 时,有 k>e\sqrt{k} > \sqrt{e}.
由 (1) 知 f(x)f(x) 在 (1,e)(1, \sqrt{e}) 上单调递减.
此时 f(1)=12>0f(1) = \dfrac{1}{2} > 0 且 f(e)=e−k2<0f(\sqrt{e}) = \dfrac{e - k}{2} < 0.
由于 f(x)f(x) 在闭区间 [1,e][1, \sqrt{e}] 上连续且单调,根据零点存在定理,
在区间 (1,e)(1, \sqrt{e}) 上存在唯一的 x0x_0 使得 f(x0)=0f(x_0)=0.
因此,当 k>ek > e 时,方程在区间 (1,e)(1, \sqrt{e}) 上有唯一解.

答案

当 k⩽ek \leqslant e 时,方程 f(x)=0f(x)=0 在区间 (1,e)(1, \sqrt{e}) 上无解;
当 k>ek > e 时,方程 f(x)=0f(x)=0 在区间 (1,e)(1, \sqrt{e}) 上有唯一解.

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