2025年学霸高考黑题数学人教版
注:目前有些书本章节名称可能整理的还不是很完善,但都是按照顺序排列的,请同学们按照顺序仔细查找。练习册 2025年学霸高考黑题数学人教版 答案主要是用来给同学们做完题方便对答案用的,请勿直接抄袭。
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典型例题(浙江高考)
已知$1 < a\leq2$,函数$f(x)=e^{x}-x - a$,其中$e = 2.71828·s$为自然对数的底数。
(1) 证明:函数$y = f(x)$在$(0,+\infty)$上有唯一零点。
(2) 记$x_{0}$为函数$y = f(x)$在$(0,+\infty)$上的零点,证明:
①$\sqrt{a - 1}\leq x_{0}\leq\sqrt{2(a - 1)}$;
②$x_{0}f(e^{x_{0}})\geq(e - 1)(a - 1)a$。
已知$1 < a\leq2$,函数$f(x)=e^{x}-x - a$,其中$e = 2.71828·s$为自然对数的底数。
(1) 证明:函数$y = f(x)$在$(0,+\infty)$上有唯一零点。
(2) 记$x_{0}$为函数$y = f(x)$在$(0,+\infty)$上的零点,证明:
①$\sqrt{a - 1}\leq x_{0}\leq\sqrt{2(a - 1)}$;
②$x_{0}f(e^{x_{0}})\geq(e - 1)(a - 1)a$。
答案:
证明:
(1)方法一:$\because f'(x)=e^{x}-1,x>0,\therefore e^{x}>1,\therefore f'(x)>0$,
$\therefore f(x)$在$(0,+\infty)$上单调递增$\therefore1<a\leq2,\therefore f(2)=e^{2}-2-a\geq e^{2}-4>0$,
$f(0)=1-a<0,\therefore$由零点存在定理理得$f(x)$在$(0,+\infty)$上有唯一零点.
方法二:函数$y=f(x)$在$(0,+\infty)$内有唯一零点等价于方程$e^{x}-x=a$在
$(0,+\infty)$内有唯一实根,又等价于直线$y=a$与曲线$g(x)=e^{x}-x(x>0)$
只有1个交点.由$g'(x)=e^{x}-1>0$在$(0,+\infty)$内恒成立,$\therefore g(x)$在
$(0,+\infty)$内单调递增,故$g(x)>g(0)=1$因此,当$1<a\leq2$,直线$y=a$与
曲线$g(x)=e^{x}-x(x>0)$只有1个交点,即$f(x)$在$(0,+\infty)$上有唯一零点.
(2)①$\because f(x_{0})=0,\therefore e^{x_{0}}-x_{0}-a=0,\Leftrightarrow\sqrt{a}-1\leq x_{0}\leq\sqrt{2(a-1)}\Leftrightarrow e^{x_{0}}-x_{0}-1\leq x_{0}^{2}\leq2(e^{x_{0}}-1)$.令$g(x)=e^{x}-x-1-\frac{x^{2}}{2}(0<x<2)$,$h(x)=e^{x}-x-1-\frac{x^{2}}{2}$.
一方面:$h'(x)=e^{x}-1-x=h_{1}(x)$,$h_{1}'(x)=e^{x}-1>0,\therefore h'(x)>h'(0)=0$,
$\therefore h(x)$在$(0,2)$上单调递增,$\therefore h(x)>h(0)=0,\therefore e^{x}-x-1-\frac{x^{2}}{2}>0$,
$\therefore2(e^{x}-1)>x^{2}$.
另一方面:$\because1<a\leq2,\therefore0<a-1\leq1,\therefore$当$x_{0}\geq1$时,$\sqrt{a}-1\leq x_{0}$成立,因
此只需证明当$0<x<1$时,$g(x)=e^{x}-x-1-x^{2}\leq0$.
$\because g'(x)=e^{x}-1-2x=g_{1}(x)$,$g_{1}'(x)=e^{x}-2=0\Rightarrow x=\ln2$,当$x\in(0,\ln2)$
时,$g_{1}'(x)<0$,当$x\in(\ln2,1)$时,$g_{1}'(x)>0$,$\therefore g'(x)$在
$(0,1)$上$g'(x)<max\{g'(0),g'(1)\}\because g'(0)=0,g'(1)=e-3<0,\therefore g'(x)<0,\therefore g(x)$在
$(0,1)$上单调递减,$\therefore g(x)<g(0)=0,\therefore e^{x}-x-1<x^{2}$.
综上,$\therefore e^{x_{0}}-x_{0}-1\leq x_{0}^{2}\leq2(e^{x_{0}}-1),\therefore\sqrt{a}-1\leq x_{0}\leq\sqrt{2(a-1)}$.
②令$t(x_{0})=x_{0}f(e^{x_{0}})=x_{0}f(x_{0}+a)=x_{0}[(e^{x}-1)x_{0}+a(e^{x}-2)]$
$\because t'(x_{0})=2(e^{x}-1)x_{0}+a(e^{x}-2)>0,\sqrt{a}-1\leq x_{0}\leq\sqrt{2(a-1)}$,
$\therefore t(x_{0})\geq t(\sqrt{a}-1)=\sqrt{a}-1[(e^{a}-1)\sqrt{a}-1+a(e^{x}-2)]=(e^{a}-1)(a-1)+a\sqrt{a}-1(e^{a}-2).\because1<a\leq2,\therefore e^{a}>(e-1)a>1,\therefore t(x_{0})\geq(e-1)(a-1)+2\sqrt{a}-1(e^{a}-2).\because1<a\leq2,\therefore$只需证明$2(a-1)\sqrt{a}-1(e^{a}-2)\geq(e-1)(a-1)^{2}$,即只需证明$4(e^{a}-2)^{2}\geq(e-1)^{2}(a-1)$.
令$s(a)=4(e^{a}-2)^{2}-(e-1)^{2}(a-1)(1<a\leq2)$,则$s'(a)=8e^{a}(e^{a}-2)-(e-1)^{2}8e^{a}-2-(e-1)^{2}>0,\therefore s(a)>s(1)=4(e-2)^{2}>0$,即
$4(e^{a}-2)^{2}\geq(e-1)^{2}(a-1)$成立,因此$x_{0}f(e^{x_{0}})\geq(e-1)(a-1)a$.
方法二:$x_{0}f(e^{x_{0}})\geq(e-1)(a-1)a\Leftrightarrow x_{0}f(x_{0}+a)\geq(e-1)(a-1)a$.设
$h(x_{0})=x_{0}f(x_{0}+a)$,由①知,$\sqrt{a}-1\leq x_{0}\leq\sqrt{2(a-1)}$,则由$e^{x_{0}+a}\geq1+x_{0}+a$得$h'(x_{0})=(x_{0}+1)e^{0+x_{0}a}-2(x_{0}+a)+(x_{0}+1)(x_{0}+a+1)-2(x_{0}+a)>0$,
从而只要证$h(\sqrt{a}-1)-(e-1)(a-1)a\geq0$.
上式左边$=e^{\sqrt{a}-1+a}-2a+\sqrt{a}-1(a-ae-1)=a(e-2)+(a-1)\sqrt{a}-1(a-ae-1)=a(e-2)+(a-1)\sqrt{a}-1(a-ae-1)$,使用不等式$e^{x}\geq x+1,e\geq ex$
可得$e^{\sqrt{a}-1+a}-2a+\sqrt{a}-1(a-ae-1)\geq(1+\sqrt{a}-1)ae-2a+\sqrt{a}-1(a-ae-1)=a(e-2)+(a-1)\sqrt{a}-1(a-ae-1)=a(e-2)+(a-1)\sqrt{a}-1(a-ae-1)>0$,因此$x_{0}f(e^{x_{0}})\geq(e-1)(a-1)a$.
answer:证明:
(1)方法一:$\because f'(x)=e^{x}-1,x>0,\therefore e^{x}>1,\therefore f'(x)>0$,
$\therefore f(x)$在$(0,+\infty)$上单调递增$\therefore1<a\leq2,\therefore f(2)=e^{2}-2-a\geq e^{2}-4>0$,
$f(0)=1-a<0,\therefore$由零点存在定理理得$f(x)$在$(0,+\infty)$上有唯一零点.
方法二:函数$y=f(x)$在$(0,+\infty)$内有唯一零点等价于方程$e^{x}-x=a$在
$(0,+\infty)$内有唯一实根,又等价于直线$y=a$与曲线$g(x)=e^{x}-x(x>0)$
只有1个交点.由$g'(x)=e^{x}-1>0$在$(0,+\infty)$内恒成立,$\therefore g(x)$在
$(0,+\infty)$内单调递增,故$g(x)>g(0)=1$因此,当$1<a\leq2$,直线$y=a$与
曲线$g(x)=e^{x}-x(x>0)$只有1个交点,即$f(x)$在$(0,+\infty)$上有唯一零点.
(2)①$\because f(x_{0})=0,\therefore e^{x_{0}}-x_{0}-a=0,\Leftrightarrow\sqrt{a}-1\leq x_{0}\leq\sqrt{2(a-1)}\Leftrightarrow e^{x_{0}}-x_{0}-1\leq x_{0}^{2}\leq2(e^{x_{0}}-1)$.令$g(x)=e^{x}-x-1-\frac{x^{2}}{2}(0<x<2)$,$h(x)=e^{x}-x-1-\frac{x^{2}}{2}$.
一方面:$h'(x)=e^{x}-1-x=h_{1}(x)$,$h_{1}'(x)=e^{x}-1>0,\therefore h'(x)>h'(0)=0$,
$\therefore h(x)$在$(0,2)$上单调递增,$\therefore h(x)>h(0)=0,\therefore e^{x}-x-1-\frac{x^{2}}{2}>0$,
$\therefore2(e^{x}-1)>x^{2}$.
另一方面:$\because1<a\leq2,\therefore0<a-1\leq1,\therefore$当$x_{0}\geq1$时,$\sqrt{a}-1\leq x_{0}$成立,因
此只需证明当$0<x<1$时,$g(x)=e^{x}-x-1-x^{2}\leq0$.
$\because g'(x)=e^{x}-1-2x=g_{1}(x)$,$g_{1}'(x)=e^{x}-2=0\Rightarrow x=\ln2$,当$x\in(0,\ln2)$
时,$g_{1}'(x)<0$,当$x\in(\ln2,1)$时,$g_{1}'(x)>0$,$\therefore g'(x)$在
$(0,1)$上$g'(x)<max\{g'(0),g'(1)\}\because g'(0)=0,g'(1)=e-3<0,\therefore g'(x)<0,\therefore g(x)$在
$(0,1)$上单调递减,$\therefore g(x)<g(0)=0,\therefore e^{x}-x-1<x^{2}$.
综上,$\therefore e^{x_{0}}-x_{0}-1\leq x_{0}^{2}\leq2(e^{x_{0}}-1),\therefore\sqrt{a}-1\leq x_{0}\leq\sqrt{2(a-1)}$.
②令$t(x_{0})=x_{0}f(e^{x_{0}})=x_{0}f(x_{0}+a)=x_{0}[(e^{x}-1)x_{0}+a(e^{x}-2)]$
$\because t'(x_{0})=2(e^{x}-1)x_{0}+a(e^{x}-2)>0,\sqrt{a}-1\leq x_{0}\leq\sqrt{2(a-1)}$,
$\therefore t(x_{0})\geq t(\sqrt{a}-1)=\sqrt{a}-1[(e^{a}-1)\sqrt{a}-1+a(e^{x}-2)]=(e^{a}-1)(a-1)+a\sqrt{a}-1(e^{a}-2).\because1<a\leq2,\therefore e^{a}>(e-1)a>1,\therefore t(x_{0})\geq(e-1)(a-1)+2\sqrt{a}-1(e^{a}-2).\because1<a\leq2,\therefore$只需证明$2(a-1)\sqrt{a}-1(e^{a}-2)\geq(e-1)(a-1)^{2}$,即只需证明$4(e^{a}-2)^{2}\geq(e-1)^{2}(a-1)$.
令$s(a)=4(e^{a}-2)^{2}-(e-1)^{2}(a-1)(1<a\leq2)$,则$s'(a)=8e^{a}(e^{a}-2)-(e-1)^{2}8e^{a}-2-(e-1)^{2}>0,\therefore s(a)>s(1)=4(e-2)^{2}>0$,即
$4(e^{a}-2)^{2}\geq(e-1)^{2}(a-1)$成立,因此$x_{0}f(e^{x_{0}})\geq(e-1)(a-1)a$.
方法二:$x_{0}f(e^{x_{0}})\geq(e-1)(a-1)a\Leftrightarrow x_{0}f(x_{0}+a)\geq(e-1)(a-1)a$.设
$h(x_{0})=x_{0}f(x_{0}+a)$,由①知,$\sqrt{a}-1\leq x_{0}\leq\sqrt{2(a-1)}$,则由$e^{x_{0}+a}\geq1+x_{0}+a$得$h'(x_{0})=(x_{0}+1)e^{0+x_{0}a}-2(x_{0}+a)+(x_{0}+1)(x_{0}+a+1)-2(x_{0}+a)>0$,
从而只要证$h(\sqrt{a}-1)-(e-1)(a-1)a\geq0$.
上式左边$=e^{\sqrt{a}-1+a}-2a+\sqrt{a}-1(a-ae-1)=a(e-2)+(a-1)\sqrt{a}-1(a-ae-1)=a(e-2)+(a-1)\sqrt{a}-1(a-ae-1)$,使用不等式$e^{x}\geq x+1,e\geq ex$
可得$e^{\sqrt{a}-1+a}-2a+\sqrt{a}-1(a-ae-1)\geq(1+\sqrt{a}-1)ae-2a+\sqrt{a}-1(a-ae-1)=a(e-2)+(a-1)\sqrt{a}-1(a-ae-1)=a(e-2)+(a-1)\sqrt{a}-1(a-ae-1)>0$,因此$x_{0}f(e^{x_{0}})\geq(e-1)(a-1)a$.
(1)方法一:$\because f'(x)=e^{x}-1,x>0,\therefore e^{x}>1,\therefore f'(x)>0$,
$\therefore f(x)$在$(0,+\infty)$上单调递增$\therefore1<a\leq2,\therefore f(2)=e^{2}-2-a\geq e^{2}-4>0$,
$f(0)=1-a<0,\therefore$由零点存在定理理得$f(x)$在$(0,+\infty)$上有唯一零点.
方法二:函数$y=f(x)$在$(0,+\infty)$内有唯一零点等价于方程$e^{x}-x=a$在
$(0,+\infty)$内有唯一实根,又等价于直线$y=a$与曲线$g(x)=e^{x}-x(x>0)$
只有1个交点.由$g'(x)=e^{x}-1>0$在$(0,+\infty)$内恒成立,$\therefore g(x)$在
$(0,+\infty)$内单调递增,故$g(x)>g(0)=1$因此,当$1<a\leq2$,直线$y=a$与
曲线$g(x)=e^{x}-x(x>0)$只有1个交点,即$f(x)$在$(0,+\infty)$上有唯一零点.
(2)①$\because f(x_{0})=0,\therefore e^{x_{0}}-x_{0}-a=0,\Leftrightarrow\sqrt{a}-1\leq x_{0}\leq\sqrt{2(a-1)}\Leftrightarrow e^{x_{0}}-x_{0}-1\leq x_{0}^{2}\leq2(e^{x_{0}}-1)$.令$g(x)=e^{x}-x-1-\frac{x^{2}}{2}(0<x<2)$,$h(x)=e^{x}-x-1-\frac{x^{2}}{2}$.
一方面:$h'(x)=e^{x}-1-x=h_{1}(x)$,$h_{1}'(x)=e^{x}-1>0,\therefore h'(x)>h'(0)=0$,
$\therefore h(x)$在$(0,2)$上单调递增,$\therefore h(x)>h(0)=0,\therefore e^{x}-x-1-\frac{x^{2}}{2}>0$,
$\therefore2(e^{x}-1)>x^{2}$.
另一方面:$\because1<a\leq2,\therefore0<a-1\leq1,\therefore$当$x_{0}\geq1$时,$\sqrt{a}-1\leq x_{0}$成立,因
此只需证明当$0<x<1$时,$g(x)=e^{x}-x-1-x^{2}\leq0$.
$\because g'(x)=e^{x}-1-2x=g_{1}(x)$,$g_{1}'(x)=e^{x}-2=0\Rightarrow x=\ln2$,当$x\in(0,\ln2)$
时,$g_{1}'(x)<0$,当$x\in(\ln2,1)$时,$g_{1}'(x)>0$,$\therefore g'(x)$在
$(0,1)$上$g'(x)<max\{g'(0),g'(1)\}\because g'(0)=0,g'(1)=e-3<0,\therefore g'(x)<0,\therefore g(x)$在
$(0,1)$上单调递减,$\therefore g(x)<g(0)=0,\therefore e^{x}-x-1<x^{2}$.
综上,$\therefore e^{x_{0}}-x_{0}-1\leq x_{0}^{2}\leq2(e^{x_{0}}-1),\therefore\sqrt{a}-1\leq x_{0}\leq\sqrt{2(a-1)}$.
②令$t(x_{0})=x_{0}f(e^{x_{0}})=x_{0}f(x_{0}+a)=x_{0}[(e^{x}-1)x_{0}+a(e^{x}-2)]$
$\because t'(x_{0})=2(e^{x}-1)x_{0}+a(e^{x}-2)>0,\sqrt{a}-1\leq x_{0}\leq\sqrt{2(a-1)}$,
$\therefore t(x_{0})\geq t(\sqrt{a}-1)=\sqrt{a}-1[(e^{a}-1)\sqrt{a}-1+a(e^{x}-2)]=(e^{a}-1)(a-1)+a\sqrt{a}-1(e^{a}-2).\because1<a\leq2,\therefore e^{a}>(e-1)a>1,\therefore t(x_{0})\geq(e-1)(a-1)+2\sqrt{a}-1(e^{a}-2).\because1<a\leq2,\therefore$只需证明$2(a-1)\sqrt{a}-1(e^{a}-2)\geq(e-1)(a-1)^{2}$,即只需证明$4(e^{a}-2)^{2}\geq(e-1)^{2}(a-1)$.
令$s(a)=4(e^{a}-2)^{2}-(e-1)^{2}(a-1)(1<a\leq2)$,则$s'(a)=8e^{a}(e^{a}-2)-(e-1)^{2}8e^{a}-2-(e-1)^{2}>0,\therefore s(a)>s(1)=4(e-2)^{2}>0$,即
$4(e^{a}-2)^{2}\geq(e-1)^{2}(a-1)$成立,因此$x_{0}f(e^{x_{0}})\geq(e-1)(a-1)a$.
方法二:$x_{0}f(e^{x_{0}})\geq(e-1)(a-1)a\Leftrightarrow x_{0}f(x_{0}+a)\geq(e-1)(a-1)a$.设
$h(x_{0})=x_{0}f(x_{0}+a)$,由①知,$\sqrt{a}-1\leq x_{0}\leq\sqrt{2(a-1)}$,则由$e^{x_{0}+a}\geq1+x_{0}+a$得$h'(x_{0})=(x_{0}+1)e^{0+x_{0}a}-2(x_{0}+a)+(x_{0}+1)(x_{0}+a+1)-2(x_{0}+a)>0$,
从而只要证$h(\sqrt{a}-1)-(e-1)(a-1)a\geq0$.
上式左边$=e^{\sqrt{a}-1+a}-2a+\sqrt{a}-1(a-ae-1)=a(e-2)+(a-1)\sqrt{a}-1(a-ae-1)=a(e-2)+(a-1)\sqrt{a}-1(a-ae-1)$,使用不等式$e^{x}\geq x+1,e\geq ex$
可得$e^{\sqrt{a}-1+a}-2a+\sqrt{a}-1(a-ae-1)\geq(1+\sqrt{a}-1)ae-2a+\sqrt{a}-1(a-ae-1)=a(e-2)+(a-1)\sqrt{a}-1(a-ae-1)=a(e-2)+(a-1)\sqrt{a}-1(a-ae-1)>0$,因此$x_{0}f(e^{x_{0}})\geq(e-1)(a-1)a$.
answer:证明:
(1)方法一:$\because f'(x)=e^{x}-1,x>0,\therefore e^{x}>1,\therefore f'(x)>0$,
$\therefore f(x)$在$(0,+\infty)$上单调递增$\therefore1<a\leq2,\therefore f(2)=e^{2}-2-a\geq e^{2}-4>0$,
$f(0)=1-a<0,\therefore$由零点存在定理理得$f(x)$在$(0,+\infty)$上有唯一零点.
方法二:函数$y=f(x)$在$(0,+\infty)$内有唯一零点等价于方程$e^{x}-x=a$在
$(0,+\infty)$内有唯一实根,又等价于直线$y=a$与曲线$g(x)=e^{x}-x(x>0)$
只有1个交点.由$g'(x)=e^{x}-1>0$在$(0,+\infty)$内恒成立,$\therefore g(x)$在
$(0,+\infty)$内单调递增,故$g(x)>g(0)=1$因此,当$1<a\leq2$,直线$y=a$与
曲线$g(x)=e^{x}-x(x>0)$只有1个交点,即$f(x)$在$(0,+\infty)$上有唯一零点.
(2)①$\because f(x_{0})=0,\therefore e^{x_{0}}-x_{0}-a=0,\Leftrightarrow\sqrt{a}-1\leq x_{0}\leq\sqrt{2(a-1)}\Leftrightarrow e^{x_{0}}-x_{0}-1\leq x_{0}^{2}\leq2(e^{x_{0}}-1)$.令$g(x)=e^{x}-x-1-\frac{x^{2}}{2}(0<x<2)$,$h(x)=e^{x}-x-1-\frac{x^{2}}{2}$.
一方面:$h'(x)=e^{x}-1-x=h_{1}(x)$,$h_{1}'(x)=e^{x}-1>0,\therefore h'(x)>h'(0)=0$,
$\therefore h(x)$在$(0,2)$上单调递增,$\therefore h(x)>h(0)=0,\therefore e^{x}-x-1-\frac{x^{2}}{2}>0$,
$\therefore2(e^{x}-1)>x^{2}$.
另一方面:$\because1<a\leq2,\therefore0<a-1\leq1,\therefore$当$x_{0}\geq1$时,$\sqrt{a}-1\leq x_{0}$成立,因
此只需证明当$0<x<1$时,$g(x)=e^{x}-x-1-x^{2}\leq0$.
$\because g'(x)=e^{x}-1-2x=g_{1}(x)$,$g_{1}'(x)=e^{x}-2=0\Rightarrow x=\ln2$,当$x\in(0,\ln2)$
时,$g_{1}'(x)<0$,当$x\in(\ln2,1)$时,$g_{1}'(x)>0$,$\therefore g'(x)$在
$(0,1)$上$g'(x)<max\{g'(0),g'(1)\}\because g'(0)=0,g'(1)=e-3<0,\therefore g'(x)<0,\therefore g(x)$在
$(0,1)$上单调递减,$\therefore g(x)<g(0)=0,\therefore e^{x}-x-1<x^{2}$.
综上,$\therefore e^{x_{0}}-x_{0}-1\leq x_{0}^{2}\leq2(e^{x_{0}}-1),\therefore\sqrt{a}-1\leq x_{0}\leq\sqrt{2(a-1)}$.
②令$t(x_{0})=x_{0}f(e^{x_{0}})=x_{0}f(x_{0}+a)=x_{0}[(e^{x}-1)x_{0}+a(e^{x}-2)]$
$\because t'(x_{0})=2(e^{x}-1)x_{0}+a(e^{x}-2)>0,\sqrt{a}-1\leq x_{0}\leq\sqrt{2(a-1)}$,
$\therefore t(x_{0})\geq t(\sqrt{a}-1)=\sqrt{a}-1[(e^{a}-1)\sqrt{a}-1+a(e^{x}-2)]=(e^{a}-1)(a-1)+a\sqrt{a}-1(e^{a}-2).\because1<a\leq2,\therefore e^{a}>(e-1)a>1,\therefore t(x_{0})\geq(e-1)(a-1)+2\sqrt{a}-1(e^{a}-2).\because1<a\leq2,\therefore$只需证明$2(a-1)\sqrt{a}-1(e^{a}-2)\geq(e-1)(a-1)^{2}$,即只需证明$4(e^{a}-2)^{2}\geq(e-1)^{2}(a-1)$.
令$s(a)=4(e^{a}-2)^{2}-(e-1)^{2}(a-1)(1<a\leq2)$,则$s'(a)=8e^{a}(e^{a}-2)-(e-1)^{2}8e^{a}-2-(e-1)^{2}>0,\therefore s(a)>s(1)=4(e-2)^{2}>0$,即
$4(e^{a}-2)^{2}\geq(e-1)^{2}(a-1)$成立,因此$x_{0}f(e^{x_{0}})\geq(e-1)(a-1)a$.
方法二:$x_{0}f(e^{x_{0}})\geq(e-1)(a-1)a\Leftrightarrow x_{0}f(x_{0}+a)\geq(e-1)(a-1)a$.设
$h(x_{0})=x_{0}f(x_{0}+a)$,由①知,$\sqrt{a}-1\leq x_{0}\leq\sqrt{2(a-1)}$,则由$e^{x_{0}+a}\geq1+x_{0}+a$得$h'(x_{0})=(x_{0}+1)e^{0+x_{0}a}-2(x_{0}+a)+(x_{0}+1)(x_{0}+a+1)-2(x_{0}+a)>0$,
从而只要证$h(\sqrt{a}-1)-(e-1)(a-1)a\geq0$.
上式左边$=e^{\sqrt{a}-1+a}-2a+\sqrt{a}-1(a-ae-1)=a(e-2)+(a-1)\sqrt{a}-1(a-ae-1)=a(e-2)+(a-1)\sqrt{a}-1(a-ae-1)$,使用不等式$e^{x}\geq x+1,e\geq ex$
可得$e^{\sqrt{a}-1+a}-2a+\sqrt{a}-1(a-ae-1)\geq(1+\sqrt{a}-1)ae-2a+\sqrt{a}-1(a-ae-1)=a(e-2)+(a-1)\sqrt{a}-1(a-ae-1)=a(e-2)+(a-1)\sqrt{a}-1(a-ae-1)>0$,因此$x_{0}f(e^{x_{0}})\geq(e-1)(a-1)a$.
变式训练 1.(2025·湖南长沙雅礼中学模拟)
设函数$f(x)=e^{x}-a\ln x$,$a\in R$。
(1) 当$a = e$时,证明:$f(x)>0$。
(2) 当$a > 0$时,证明:$f(x)\geq a(2-\ln a)$。
设函数$f(x)=e^{x}-a\ln x$,$a\in R$。
(1) 当$a = e$时,证明:$f(x)>0$。
(2) 当$a > 0$时,证明:$f(x)\geq a(2-\ln a)$。
答案:
证明:
(1)当$a=e$时,$f(x)=e^{x}-e\ln x$,定义域为$(0,+\infty)$,
$f'(x)=e^{x}-\frac{e}{x}$.记$g(x)=f'(x)=e^{x}-\frac{e}{x}$,则$g'(x)=e^{x}+\frac{e}{x^{2}}>0,x\in(0,+\infty)$,所以$f'(x)$在$(0,+\infty)$上单调递增.又$f'(1)=0$,所以当
$x\in(0,1)$时,$f'(x)<0,f(x)$单调递减,当$x\in(1,+\infty)$时,$f'(x)>0$,
$f(x)$单调递增,所以$f(x)\geq f(1)=e^{1}-e\ln1=e>0$,故$f(x)>0$.
(2)记$g(x)=\ln x+x+1,x>0$,则$g'(x)=\frac{1}{x}-1=\frac{1-x}{x}$,所以$g(x)$在$(0,1)$上单调递增,在$(1,+\infty)$上单调递减,即$\ln x\leq x-1$.又$a>0$,所以$f(x)=e^{x}-a\ln x\geq e^{x}-a(x-\1)$,
记$h(x)=e^{x}-a(x-1)$,则$h'(x)=e^{x}-a>1-a$.
当$0<a\leq1$时,$h(x)$单调递增,所以$h(x)>h(0)=1+a$,记$\varphi(a)=1+a-a(2-\ln a)=a\ln a+a+1$,则$\varphi'(a)=\ln a\leq0$,所以$\varphi(a)$在$(0,1]$上单调
递减,所以$\varphi(a)\geq\varphi(1)=0$,即$1+a\geq a(2-\ln a)$,所以$h(x)>a(2-\ln a)$.
当$a>1$时,$h(x)$在$(0,\ln a)$上单调递减,在$(\ln a,+\infty)$上单调递增,所
以$h(x)\geq h(\ln a)=a-a(\ln a-1)=a(2-\ln a)$.
综上,$h(x)\geq a(2-\ln a)$,所以$f(x)\geq h(x)\geq a(2-\ln a)$.
(1)当$a=e$时,$f(x)=e^{x}-e\ln x$,定义域为$(0,+\infty)$,
$f'(x)=e^{x}-\frac{e}{x}$.记$g(x)=f'(x)=e^{x}-\frac{e}{x}$,则$g'(x)=e^{x}+\frac{e}{x^{2}}>0,x\in(0,+\infty)$,所以$f'(x)$在$(0,+\infty)$上单调递增.又$f'(1)=0$,所以当
$x\in(0,1)$时,$f'(x)<0,f(x)$单调递减,当$x\in(1,+\infty)$时,$f'(x)>0$,
$f(x)$单调递增,所以$f(x)\geq f(1)=e^{1}-e\ln1=e>0$,故$f(x)>0$.
(2)记$g(x)=\ln x+x+1,x>0$,则$g'(x)=\frac{1}{x}-1=\frac{1-x}{x}$,所以$g(x)$在$(0,1)$上单调递增,在$(1,+\infty)$上单调递减,即$\ln x\leq x-1$.又$a>0$,所以$f(x)=e^{x}-a\ln x\geq e^{x}-a(x-\1)$,
记$h(x)=e^{x}-a(x-1)$,则$h'(x)=e^{x}-a>1-a$.
当$0<a\leq1$时,$h(x)$单调递增,所以$h(x)>h(0)=1+a$,记$\varphi(a)=1+a-a(2-\ln a)=a\ln a+a+1$,则$\varphi'(a)=\ln a\leq0$,所以$\varphi(a)$在$(0,1]$上单调
递减,所以$\varphi(a)\geq\varphi(1)=0$,即$1+a\geq a(2-\ln a)$,所以$h(x)>a(2-\ln a)$.
当$a>1$时,$h(x)$在$(0,\ln a)$上单调递减,在$(\ln a,+\infty)$上单调递增,所
以$h(x)\geq h(\ln a)=a-a(\ln a-1)=a(2-\ln a)$.
综上,$h(x)\geq a(2-\ln a)$,所以$f(x)\geq h(x)\geq a(2-\ln a)$.
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