函数与导数之目:2022年新高考全国卷题22问题2

2022年新高考全国卷题22

分值:12分

已知函数 f(x)=\dfrac{\ln(ax)}{x} - \mathrm{e} \ln x ( \mathrm{e}=2.71828 \cdots 是自然对数底数 )

(1)当 a=\mathrm{e} 时,讨论函数 f(x) 的单调性;

(2)当 a \gt \mathrm{e} 时,证明:f(x) \lt (a-1) \mathrm{e}.


【解答问题2】

f(x)=\dfrac{\ln(ax)}{x} - \mathrm{e} \ln x

定义域为 (0,+\infty),

a \gt \mathrm{e} 时,\ln a \gt 1

f'(x)=-\,\dfrac{\ln(ax)+ex-1}{x^2}

h(x)=\ln(ax)+ex-1

函数 h(x)(0,+\infty )上单调递增;

h(\dfrac{1}{a})=\dfrac{e}{a}-1 \lt 0,

h(\dfrac{1}{e}) =\ln(\dfrac{a}{e}) \gt 0,

∴ 函数 h(x)(0,+\infty) 上有唯一的零点;且零点在区间 (\dfrac{1}{a} ,\dfrac{1}{e} ) 内;

∴ 导函数 f'(x)(0,+\infty) 上有唯一的零点;且零点在区间 (\dfrac{1}{a} ,\dfrac{1}{e} ) 内;

记该零点为 x_0, 则 x_0 \in (\dfrac{1}{a} ,\dfrac{1}{e} ), h(x_0)=0;

\ln(ax_0)=1- \mathrm{e} x_0

f(x_0)=\dfrac{1}{x_0}- \mathrm{e} + \mathrm{e} \ln\dfrac{1}{x_0}

t=\dfrac{1}{x_0}, \; g(t)=t+ \mathrm{e}\ln t,

f(x_0) = g(t) - \mathrm{e}

∵ 函数 g(t) 单调递增且 x_0 \in (\dfrac{1}{a},\dfrac{1}{\mathrm{e}}), t \in (\mathrm{e}, a)

g(t) \leqslant a + \mathrm{e} \ln a

又∵ \ln x \leqslant \mathrm{e} x,

g(t) \leqslant 2a,

f(x_0) \leqslant 2a -e \lt \mathrm{e}a- \mathrm{e}

f(x_0) \lt (a-1) \mathrm{e}

h(x)(0,+\infty) 上单调递增;h(x_0) =0,

x^2 \gt 0,

∴ 当 x \in (0,x_0), f'(x) \gt 0;

x \in (x_0, +\infty), f'(x) \lt 0;

x_0 是函数 f(x) 的唯一极大值点,也是最大值点,

f(x) \lt (a-1) \mathrm{e}. 证明完毕.


【提炼与提高】

这是2022年的压轴大题,难度确实比较高。

对于这类难题,多数老师会建议学生放弃。笔者认为:根据自己的实力,在考试中过程中放弃一部分题目,是正确的策略;但在备考过程中,还是应该勇敢地挑战难题,这样水平才会不断提高。假如见到难题就绕开,水平是难以提升的。

本题解答中用到的方法和技巧,在以前的考题中是出现过的。详见下节的相关考题。


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