∫π每天一道数学题

导数证明题:e^x-ln(x+m)>0

ƒ 函数与导数

题目

已知函数 f(x)=ex−ln⁡(x+m)f(x)=e^x - \ln(x+m)。当 m⩽2m \leqslant 2 时,求证 f(x)>0f(x)>0。

解析

解析

函数 f(x)=ex−ln⁡(x+m)f(x)=e^x - \ln(x+m) 的定义域为 x>−mx > -m。

f′(x)=ex−1x+m=(x+m)ex−1x+mf'(x) = e^x - \dfrac{1}{x+m} = \dfrac{(x+m)e^x - 1}{x+m}

令 g(x)=(x+m)ex−1g(x)=(x+m)e^x - 1,则 g′(x)=(x+m+1)exg'(x) = (x+m+1)e^x。

由 x>−mx > -m,得 x+m+1>1>0x+m+1 > 1 > 0,故 g′(x)>0g'(x) > 0,g(x)g(x) 在 (−m,+∞)(-m,+\infty) 上单调递增。

又 g(−m)=−1<0g(-m)=-1 < 0,lim⁡x→+∞g(x)=+∞\lim_{x \to +\infty} g(x) = +\infty,故存在唯一 x0∈(−m,+∞)x_0 \in (-m,+\infty),使得 g(x0)=0g(x_0)=0,即 (x0+m)ex0=1(x_0+m)e^{x_0}=1。

因此 f′(x)<0f'(x) < 0 在 (−m,x0)(-m,x_0) 上成立,f′(x)>0f'(x)>0 在 (x0,+∞)(x_0,+\infty) 上成立,f(x)f(x) 在 x=x0x=x_0 处取得最小值。

由 (x0+m)ex0=1(x_0+m)e^{x_0}=1,得 ex0=1x0+me^{x_0} = \dfrac{1}{x_0+m},于是

f(x0)=1x0+m+x0=1+x0(x0+m)x0+m=x02+mx0+1x0+mf(x_0) = \dfrac{1}{x_0+m} + x_0 = \dfrac{1+x_0(x_0+m)}{x_0+m} = \dfrac{x_0^2+mx_0+1}{x_0+m}

其中分母 x0+m>0x_0+m > 0(因为 x0>−mx_0 > -m)。

分子 Δ=m2−4\Delta = m^2 - 4。当 m⩽2m \leqslant 2 时,Δ⩽0\Delta \leqslant 0,故 x02+mx0+1⩾0x_0^2+mx_0+1 \geqslant 0。

若 x02+mx0+1=0x_0^2+mx_0+1=0,则 m=2m=2 且 x0=−1x_0=-1,但 (x0+m)ex0=1⋅e−1≠1(x_0+m)e^{x_0}=1 \cdot e^{-1} \neq 1,矛盾。

因此 x02+mx0+1>0x_0^2+mx_0+1 > 0,从而 f(x0)>0f(x_0) > 0。

综上,f(x)⩾f(x0)>0f(x) \geqslant f(x_0) > 0,即 f(x)>0f(x)>0 得证。