∫π每天一道数学题
  1. f(x)=ln⁡(1+x)−x+12x2−kx3f(x)=\ln(1+x)-x+\frac{1}{2}x^2-kx^3, 0<k<130<k<\frac{1}{3}.

(1) 证 f(x)f(x) 在 (0,+∞)(0,+\infty) 有唯一极值点和唯一零点;

(2) x1,x2x_1,x_2 分别为极值点和零点.

(i) g(t)=f(x1+t)−f(x1−t)g(t)=f(x_1+t)-f(x_1-t), 证 g(t)g(t) 在 (0,x1)(0,x_1) 单调递减;

(ii) 比较 2x12x_1 与 x2x_2 大小, 并证明.

参考解析

第(1)问

f(x)=ln⁡(1+x)−x+12x2−kx3f(x)=\ln(1+x)-x+\dfrac{1}{2}x^2-kx^3,0<k<130<k<\dfrac{1}{3}。

f′(x)=11+x−1+x−3kx2=1−(1+x)+x(1+x)−3kx2(1+x)1+x=x2−3kx2(1+x)1+x=x2[1−3k(1+x)]1+xf'(x)=\dfrac{1}{1+x}-1+x-3kx^2=\dfrac{1-(1+x)+x(1+x)-3kx^2(1+x)}{1+x}=\dfrac{x^2-3kx^2(1+x)}{1+x}=\dfrac{x^2[1-3k(1+x)]}{1+x}

f′(x)=x2(1−3k−3kx)1+xf'(x)=\dfrac{x^2(1-3k-3kx)}{1+x}

x>0x>0 时 x2>0x^2>0,1+x>01+x>0。f′(x)=0f'(x)=0 当 1−3k−3kx=01-3k-3kx=0,x=1−3k3kx=\dfrac{1-3k}{3k}。

0<k<130<k<\dfrac{1}{3},1−3k>01-3k>0,x1=1−3k3k>0x_1=\dfrac{1-3k}{3k}>0。

f′(x)f'(x) 在 0<x<x10<x<x_1 为正(1−3k−3kx>01-3k-3kx>0),x>x1x>x_1 为负。故 x1x_1 为唯一极大值点。

f(0)=0f(0)=0。ff 在 (0,x1)(0,x_1) 递增(f>0f>0),x>x1x>x_1 递减。x→+∞x\to+\infty 时 f(x)≈−kx3→−∞f(x)\approx-kx^3\to-\infty。

f(x1)>0=f(0)f(x_1)>0=f(0),f→−∞f\to-\infty,故在 (x1,+∞)(x_1,+\infty) 有唯一零点 x2x_2。

答案

(1) f(x)f(x) 在 (0,+∞)(0,+\infty) 有唯一极值点 x1=1−3k3kx_1=\dfrac{1-3k}{3k}(极大值)和唯一零点 x2x_2。

第(2)问

(i) g(t)=f(x1+t)−f(x1−t)g(t)=f(x_1+t)-f(x_1-t),t∈(0,x1)t\in(0,x_1)。

g′(t)=f′(x1+t)+f′(x1−t)=(x1+t)2[1−3k(1+x1+t)]1+x1+t+(x1−t)2[1−3k(1+x1−t)]1+x1−tg'(t)=f'(x_1+t)+f'(x_1-t)=\dfrac{(x_1+t)^2[1-3k(1+x_1+t)]}{1+x_1+t}+\dfrac{(x_1-t)^2[1-3k(1+x_1-t)]}{1+x_1-t}

由 1−3k(1+x1)=01-3k(1+x_1)=0(x1x_1 的定义),1−3k(1+x1+t)=−3kt1-3k(1+x_1+t)=-3kt,1−3k(1+x1−t)=3kt1-3k(1+x_1-t)=3kt。

g′(t)=(x1+t)2(−3kt)1+x1+t+(x1−t)2(3kt)1+x1−tg'(t)=\dfrac{(x_1+t)^2(-3kt)}{1+x_1+t}+\dfrac{(x_1-t)^2(3kt)}{1+x_1-t}

=3kt[(x1−t)21+x1−t−(x1+t)21+x1+t]=3kt\left[\dfrac{(x_1-t)^2}{1+x_1-t}-\dfrac{(x_1+t)^2}{1+x_1+t}\right]

设 h(s)=s21+sh(s)=\dfrac{s^2}{1+s}(s=x1±ts=x_1\pm t),h′(s)=2s(1+s)−s2(1+s)2=s(2+s)(1+s)2>0h'(s)=\dfrac{2s(1+s)-s^2}{(1+s)^2}=\dfrac{s(2+s)}{(1+s)^2}>0(s>0s>0)。

hh 递增,h(x1−t)<h(x1+t)h(x_1-t)<h(x_1+t),故 g′(t)=3kt[h(x1−t)−h(x1+t)]<0g'(t)=3kt[h(x_1-t)-h(x_1+t)]<0。

g(t)g(t) 单调递减。✓\checkmark

(ii) 比较 2x12x_1 与 x2x_2。

g(x1)=f(2x1)−f(0)=f(2x1)g(x_1)=f(2x_1)-f(0)=f(2x_1)。g(0)=0g(0)=0。gg 递减,g(x1)<g(0)=0g(x_1)<g(0)=0,即 f(2x1)<0f(2x_1)<0。

f(x1)>0f(x_1)>0(极大值),f(2x1)<0f(2x_1)<0,而 x2x_2 是 ff 的唯一零点(x>x1x>x_1),f(x1)>0>f(2x1)f(x_1)>0>f(2x_1),故 x1<x2<2x1x_1<x_2<2x_1,即 2x1>x22x_1>x_2。

答案

(i) g(t)g(t) 在 (0,x1)(0,x_1) 单调递减。

(ii) 2x1>x22x_1>x_2。

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