已知函數(shù)f(x)=ex-kx,x∈R(e是自然對數(shù)的底數(shù),e=2.71828…)
(1)若k=e,求函數(shù)f(x)的極值;
(2)若k∈R,求函數(shù)f(x)的單調區(qū)間;
(3)若k∈R,討論函數(shù)f(x)在(-∞,4]上的零點個數(shù).
【答案】分析:(1)將k=e代入,求出函數(shù)的解析式,進而求出導函數(shù)的解析式,分析函數(shù)的單調性,可得函數(shù)的極值.
(2)由已知中函數(shù)的解析式,求出導函數(shù)的解析式,對k進行分類討論,確定x在不同情況下導函數(shù)的符號,進而可得函數(shù)的單調性.
(3)解法一:根據(jù)(2)中函數(shù)的單調性分k=0時,k<0,k>0三種情況討論k取不同值時函數(shù)零點個數(shù),最后綜合討論結果,可得答案.
解法二:根據(jù)函數(shù)的導函數(shù),分k=0時,k<0,k>0三種情況討論k取不同值時,函數(shù)y=ex與y=kx圖象交點的個數(shù)(即函數(shù)零點的個數(shù)),最后綜合討論結果,可得答案.
解答:解:(1)由k=e得f(x)=ex-ex,
所以f'(x)=ex-e.                 
令f′(x)=0,得ex-e=0,解得x=1.
由f'(x)>0得x>1,由f'(x)<0得x<1,
當x變化時,f'(x)、f(x)的變化情況如下表:
x(-∞,1)1(1,+∞)
f'(x)-+
f(x)單調遞減極小值單調遞增
…(2分)
所以當x=1時,f(x)有極小值為0,無極大值.                            …(3分)
(2)由f(x)=ex-kx,x∈R,得f'(x)=ex-k.
①當k≤0時,則f'(x)=ex-k>0對x∈R恒成立,
此時f(x)的單調遞增,遞增區(qū)間為(-∞,+∞).                            …(4分)
②當k>0時,
由f'(x)=ex-k>0,得到x>lnk,
由f'(x)=ex-k<0,得到x<lnk,
所以,k>0時,f(x)的單調遞增區(qū)間是(lnk,+∞);遞減區(qū)間是(-∞,lnk). …(6分)
綜上,當k≤0時,f(x)的單調遞增區(qū)間為(-∞,+∞);
當k>0時,f(x)的單調遞增區(qū)間是(lnk,+∞);遞減區(qū)間是(-∞,lnk). …(7分)
(3)解法一:
①當k=0時,f(x)=ex>0,對x∈R恒成立,所以函數(shù)f(x)在(-∞,4]上無零點.…(8分)
②當k<0時,由(2)知,f'(x)=ex-k>0對x∈R恒成立,函數(shù)f(x)在(-∞,4]上單調遞增,
又f(0)=1>0,,…(9分)
所以函數(shù)f(x)在(-∞,4]上只有一個零點.                     …(10分)
③當k>0時,令f'(x)=ex-k=0,
得x=lnk,且f(x)在(-∞,lnk)上單調遞減,在(lnk,+∞)上單調遞增,f(x)在x=lnk時取得極小值,
即f(x)在(-∞,4]上最多存在兩個零點.
(。┤艉瘮(shù)f(x)在(-∞,4]上有2個零點,
,
解得;…(11分)
(ⅱ)若函數(shù)f(x)在(-∞,4]上有1個零點,
則f(4)<0或,
解得或k=e;                                                               …(12分)
(ⅲ)若函數(shù)f(x)在(-∞,4]上沒有零點,
或f(lnk)=k(1-lnk)>0,
解得k∈(0,e).                                                        …(13分)
綜上所述,當時,f(x)在(-∞,4]上有2個零點;
或k=e時,f(x)在(-∞,4]上有1個零點;
當k∈[0,e)時,f(x)在(-∞,4]上無零點.                   …(14分)
解法二:∵f(x)=ex-kx,x∈R.
當k=0時,f(x)=ex>0對x∈R恒成立,所以函數(shù)f(x)在(-∞,4]上無零點.…(8分)
當k≠0時,f(x)=ex-kx在(-∞,4]上的零點就
是方程ex=kx在(-∞,4]上的解,即函數(shù)y=ex
與y=kx在(-∞,4]上的交點的橫坐標.   …(9分)

①當k<0時,如圖1,函數(shù)y=ex與y=kx只在(-∞,0)上
有一個交點,即函數(shù)f(x)在(-∞,4]上有一個零點.                        …(10分)
②當k>0時,
若y=ex與y=kx相切時,
如圖2,設切點坐標為,則
即切線的斜率是,
所以,
解得x=1<4,
即當k=e時,y=ex與y=kx只有一個交點,
函數(shù)f(x)在(-∞,4]上只有一個零點x=1;…(11分)
由此,還可以知道,當0<k<e時,函數(shù)f(x)在(-∞,4]上無零點.         …(12分)
當y=kx過點(4,e4)時,如圖3,,
所以時,y=ex與y=kx在(-∞,4]上
有兩個交點,即函數(shù)f(x)在(-∞,4]上有兩個零點;
時,y=ex與y=kx在(-∞,4]上只有一個
交點,即函數(shù)f(x)在(-∞,4]上只有一個零點.                            …(13分)
綜上所述,當時,函數(shù)f(x)在(-∞,4]上有2個零點;
或k=e時,函數(shù)f(x)在(-∞,4]上有1個零點;
當k∈[0,e)時,函數(shù)f(x)在(-∞,4]上無零點.                …(14分)
點評:本題考查的知識點是函數(shù)在某點取得極值的條件,根的存在性及根的個數(shù)判斷,利用導數(shù)研究函數(shù)的單調性,是導數(shù)的綜合應用,特別是第(3)中分類比較復雜,難度較大.
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