Question

已知a＞0，f（x）=ax²-2x+1+ln（x+1），l是曲線y=f（x）在點(diǎn)P（0，f（0））處的切線．
（Ⅰ）求l的方程；
（Ⅱ）若切線l與曲線y=f（x）有且只有一個(gè)公共點(diǎn)，求a的值；
（Ⅲ）證明對(duì)任意的a=n（n∈N^*），函數(shù)y=f（x）總有單調(diào)遞減區(qū)間，并求出f（x）單調(diào)遞減區(qū)間的長(zhǎng)度的取值范圍．（區(qū)間[x₁，x₂]的長(zhǎng)度=x₂-x₁）

Answer 1

分析：（Ⅰ）根據(jù)點(diǎn)P（0，f（0））為切點(diǎn)，求出f（0）=1，則P（0，1），再利用導(dǎo)數(shù)的幾何意義可得切線的斜率k=f′（0），利用點(diǎn)斜式求出切線方程，化簡(jiǎn)即可得到答案；
（Ⅱ）將切線l與曲線y=f（x）有且只有一個(gè)公共點(diǎn)，轉(zhuǎn)化為ax²-2x+1+ln（x+1）=-x+1有且只有一個(gè)實(shí)數(shù)解，令h（x）=ax²-x+ln（x+1），研究h（x）=0的解的個(gè)數(shù)問(wèn)題，求出h′（x）=0的根，對(duì)a進(jìn)行分類討論，當(dāng)a=

1

2

時(shí)，h（x）=0只有一個(gè)解，符合題意，當(dāng)0＜a＜

1

2

時(shí)，利用函數(shù)的單調(diào)性和極值，確定方程h（x）=0有兩個(gè)根，不符合題意，當(dāng)a＞

1

2

時(shí)，利用函數(shù)的單調(diào)性和極值，確定方程h（x）=0有兩個(gè)根，不符合題意，綜合上述，確定a的值；
（Ⅲ）求出f′(x)=

2ax2+(2a-2)x-1

x+1

，令k（x）=2ax²+（2a-2）x-1，根據(jù)x+1＞0，則將f′（x）＜0等價(jià)于k（x）=2ax²+（2a-2）x-1＜0，利用二次函數(shù)的性質(zhì)，可知方程k（x）=0有兩個(gè)不同的根x₁，x₂，其中-1＜x₁＜x₂，確定f（x）的減區(qū)間為[x₁，x₂]，所以化簡(jiǎn)區(qū)間長(zhǎng)度為x₂-x₁=

1+ 1 a2

，根據(jù)a=n代入即可得x₂-x₁=

1+ 1 n2

，利用單調(diào)性確定x₂-x₁的取值范圍，從而得到f（x）單調(diào)遞減區(qū)間的長(zhǎng)度的取值范圍．

解答：解：（Ⅰ）∵f（x）=ax²-2x+1+ln（x+1），且點(diǎn)P（0，f（0））為切點(diǎn)，
∴f（0）=1，
又f′(x)=2ax-2+

1

x+1

=

2ax2+(2a-2)x-1

x+1

，
∴切線的斜率k=f′（0）=-1，又切點(diǎn)P（0，1），
∴由點(diǎn)斜式可得，y-1=-1×（x-0），即x+y-1=0，
∴切線l的方程為x+y-1=0；
（Ⅱ）切線l與曲線y=f（x）有且只有一個(gè)公共點(diǎn)等價(jià)于方程ax²-2x+1+ln（x+1）=-x+1有且只有一個(gè)實(shí)數(shù)解，
令h（x）=ax²-x+ln（x+1），則h（x）=0有且只有一個(gè)實(shí)數(shù)解，
∵h(yuǎn)（0）=0，
∴h（x）=0有一個(gè)解為x=0，
又h′(x)=2ax-1+

1

x+1

=

2ax2+(2a-1)x

x+1

=

2ax[x-( 1 2a -1)]

x+1

，
①a=

1

2

，h′(x)=

x2

x+1

≥0(x＞-1)，h(x)在（-1，+∞）上單調(diào)遞增，
∴x=0是方程h（x）=0的唯一解，
∴a=

1

2

符合題意；
②0＜a＜

1

2

，h′(x)=0，x1=0，x2=

1

2a

-1＞0，
列表如下：

x	（-1，0）	0	(0， 1 2a -1)	1 2a -1	( 1 2a -1，+∞)
h′（x）	+	0	-	0	+
h（x）	↗	極大值0	↘	極小值	↗

∴h(

1

2a

-1)＜h(0)=0，h(

1

a

)=a×

1

a2

-

1

a

+ln(

1

a

+1)＞0，
∴方程h（x）=0在(

1

2a

-1，+∞)上還有一解，
∴方程h（x）=0的解不唯一；
∴0＜a＜

1

2

不符合題意；
③當(dāng)a＞

1

2

，h′(x)=0，x1=

1

2a

-1，x₂=0，
列表如下：

x	(-1， 1 2a -1)	1 2a -1	( 1 2a -1，0)	0	（0，+∞）
h′（x）	+	0	-	0	+
h（x）	↗	極大值	↘	極小值0	↗

∴h(

1

2a

-1)＞h(0)=0，
又當(dāng)x＞-1且x趨向-1時(shí)，ax²-x＜a+1，
∴l(xiāng)n（x+1）趨向-∞，
∴h（x）趨向-∞．
∴方程h（x）=0在(-1，

1

2a

-1)上還有一解，
∴方程h（x）=0的解不唯一；
∴a＞

1

2

不符合題意．
綜合①②③，當(dāng)l與曲線y=f（x）有且只有一個(gè)公共點(diǎn)時(shí)，a=

1

2

；
（Ⅲ）證明：∵f（x）=ax²-2x+1+ln（x+1），
∴f′(x)=

2ax2+(2a-2)x-1

x+1

，
令k（x）=2ax²+（2a-2）x-1，
∵x＞-1，
∴f′（x）＜0等價(jià)于k（x）=2ax²+（2a-2）x-1＜0，

∵△=（2a-2）²+8a=4（a²+1）＞0，對(duì)稱軸x=-

2a-2

4a

=-

1

2

+

1

2a

＞-1，k（-1）=2a-（2a-2）-1=1＞0，
∴k（x）=0有兩個(gè)不同的解設(shè)為x₁，x₂，其中-1＜x₁＜x₂，且x1+x2=-

2a-2

2a

，x1x2=-

1

2a

，
∴當(dāng)x∈（x₁，x₂）時(shí)，f′（x）＜0，
∴y=f（x）的減區(qū)間為[x₁，x₂]，
∴x2-x1=

(x2+x1)2-4x2x1

=

(- 2a-2 2a )2+4× 1 2a

=

1+ 1 a2

，
∴當(dāng)a=n（n∈N^*）時(shí)，區(qū)間長(zhǎng)度x2-x1=

1+ 1 n2

≤

1+ 1 12

=

2

，
∴減區(qū)間長(zhǎng)度x₂-x₁的取值范圍為(1，

2

]．

點(diǎn)評(píng)：本題考查了導(dǎo)數(shù)的幾何意義，導(dǎo)數(shù)的幾何意義即在某點(diǎn)處的導(dǎo)數(shù)即該點(diǎn)處切線的斜率，解題時(shí)要注意運(yùn)用切點(diǎn)在曲線上和切點(diǎn)在切線上．考查了利用導(dǎo)數(shù)研究函數(shù)的極值，求函數(shù)極值的步驟是：先求導(dǎo)函數(shù)，令導(dǎo)函數(shù)等于0，求出方程的根，確定函數(shù)在方程的根左右的單調(diào)性，根據(jù)極值的定義，確定極值點(diǎn)和極值．過(guò)程中要注意運(yùn)用導(dǎo)數(shù)確定函數(shù)的單調(diào)性，一般導(dǎo)數(shù)的正負(fù)對(duì)應(yīng)著函數(shù)的單調(diào)性．根據(jù)極值和單調(diào)性確定函數(shù)的簡(jiǎn)圖，利用數(shù)形結(jié)合的數(shù)學(xué)思想方法求解交點(diǎn)個(gè)數(shù)問(wèn)題．屬于中檔題．