已知函數(shù)f(x)=ex-kx,x∈R(e是自然對(duì)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(diào)區(qū)間;
(3)若k∈R,討論函數(shù)f(x)在(-∞,4]上的零點(diǎn)個(gè)數(shù).
【答案】分析:(1)將k=e代入,求出函數(shù)的解析式,進(jìn)而求出導(dǎo)函數(shù)的解析式,分析函數(shù)的單調(diào)性,可得函數(shù)的極值.
(2)由已知中函數(shù)的解析式,求出導(dǎo)函數(shù)的解析式,對(duì)k進(jìn)行分類討論,確定x在不同情況下導(dǎo)函數(shù)的符號(hào),進(jìn)而可得函數(shù)的單調(diào)性.
(3)解法一:根據(jù)(2)中函數(shù)的單調(diào)性分k=0時(shí),k<0,k>0三種情況討論k取不同值時(shí)函數(shù)零點(diǎn)個(gè)數(shù),最后綜合討論結(jié)果,可得答案.
解法二:根據(jù)函數(shù)的導(dǎo)函數(shù),分k=0時(shí),k<0,k>0三種情況討論k取不同值時(shí),函數(shù)y=ex與y=kx圖象交點(diǎn)的個(gè)數(shù)(即函數(shù)零點(diǎn)的個(gè)數(shù)),最后綜合討論結(jié)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(dāng)x變化時(shí),f'(x)、f(x)的變化情況如下表:
x(-∞,1)1(1,+∞)
f'(x)-+
f(x)單調(diào)遞減極小值單調(diào)遞增
…(2分)
所以當(dāng)x=1時(shí),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(dāng)k≤0時(shí),則f'(x)=ex-k>0對(duì)x∈R恒成立,
此時(shí)f(x)的單調(diào)遞增,遞增區(qū)間為(-∞,+∞).                            …(4分)
②當(dāng)k>0時(shí),
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(shí),f(x)的單調(diào)遞增區(qū)間是(lnk,+∞);遞減區(qū)間是(-∞,lnk). …(6分)
綜上,當(dāng)k≤0時(shí),f(x)的單調(diào)遞增區(qū)間為(-∞,+∞);
當(dāng)k>0時(shí),f(x)的單調(diào)遞增區(qū)間是(lnk,+∞);遞減區(qū)間是(-∞,lnk). …(7分)
(3)解法一:
①當(dāng)k=0時(shí),f(x)=ex>0,對(duì)x∈R恒成立,所以函數(shù)f(x)在(-∞,4]上無零點(diǎn).…(8分)
②當(dāng)k<0時(shí),由(2)知,f'(x)=ex-k>0對(duì)x∈R恒成立,函數(shù)f(x)在(-∞,4]上單調(diào)遞增,
又f(0)=1>0,,…(9分)
所以函數(shù)f(x)在(-∞,4]上只有一個(gè)零點(diǎn).                     …(10分)
③當(dāng)k>0時(shí),令f'(x)=ex-k=0,
得x=lnk,且f(x)在(-∞,lnk)上單調(diào)遞減,在(lnk,+∞)上單調(diào)遞增,f(x)在x=lnk時(shí)取得極小值,
即f(x)在(-∞,4]上最多存在兩個(gè)零點(diǎn).
(。┤艉瘮(shù)f(x)在(-∞,4]上有2個(gè)零點(diǎn),

解得;…(11分)
(ⅱ)若函數(shù)f(x)在(-∞,4]上有1個(gè)零點(diǎn),
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(diǎn),
或f(lnk)=k(1-lnk)>0,
解得k∈(0,e).                                                        …(13分)
綜上所述,當(dāng)時(shí),f(x)在(-∞,4]上有2個(gè)零點(diǎn);
當(dāng)或k=e時(shí),f(x)在(-∞,4]上有1個(gè)零點(diǎn);
當(dāng)k∈[0,e)時(shí),f(x)在(-∞,4]上無零點(diǎn).                   …(14分)
解法二:∵f(x)=ex-kx,x∈R.
當(dāng)k=0時(shí),f(x)=ex>0對(duì)x∈R恒成立,所以函數(shù)f(x)在(-∞,4]上無零點(diǎn).…(8分)
當(dāng)k≠0時(shí),f(x)=ex-kx在(-∞,4]上的零點(diǎn)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(diǎn)的橫坐標(biāo).   …(9分)

①當(dāng)k<0時(shí),如圖1,函數(shù)y=ex與y=kx只在(-∞,0)上
有一個(gè)交點(diǎn),即函數(shù)f(x)在(-∞,4]上有一個(gè)零點(diǎn).                        …(10分)
②當(dāng)k>0時(shí),
若y=ex與y=kx相切時(shí),
如圖2,設(shè)切點(diǎn)坐標(biāo)為,則,
即切線的斜率是
所以,
解得x=1<4,
即當(dāng)k=e時(shí),y=ex與y=kx只有一個(gè)交點(diǎn),
函數(shù)f(x)在(-∞,4]上只有一個(gè)零點(diǎn)x=1;…(11分)
由此,還可以知道,當(dāng)0<k<e時(shí),函數(shù)f(x)在(-∞,4]上無零點(diǎn).         …(12分)
當(dāng)y=kx過點(diǎn)(4,e4)時(shí),如圖3,,
所以時(shí),y=ex與y=kx在(-∞,4]上
有兩個(gè)交點(diǎn),即函數(shù)f(x)在(-∞,4]上有兩個(gè)零點(diǎn);
時(shí),y=ex與y=kx在(-∞,4]上只有一個(gè)
交點(diǎn),即函數(shù)f(x)在(-∞,4]上只有一個(gè)零點(diǎn).                            …(13分)
綜上所述,當(dāng)時(shí),函數(shù)f(x)在(-∞,4]上有2個(gè)零點(diǎn);
當(dāng)或k=e時(shí),函數(shù)f(x)在(-∞,4]上有1個(gè)零點(diǎn);
當(dāng)k∈[0,e)時(shí),函數(shù)f(x)在(-∞,4]上無零點(diǎn).                …(14分)
點(diǎn)評(píng):本題考查的知識(shí)點(diǎn)是函數(shù)在某點(diǎn)取得極值的條件,根的存在性及根的個(gè)數(shù)判斷,利用導(dǎo)數(shù)研究函數(shù)的單調(diào)性,是導(dǎo)數(shù)的綜合應(yīng)用,特別是第(3)中分類比較復(fù)雜,難度較大.
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