已知函数 f(x) = (e^x) / x - ln x + x - a,求 a 的取值范围和证明 x1 * x2 < 1
(1) 当 x <= 1 时,由于 x > 0,因此 ln x <= 0,所以 e^x / x >= 1,因此 f(x) >= 1 - a > 0,所以 a < 1。 当 x > 1 时,由于 e^x / x 是单调递增函数,且 ln x 单调递增,因此 f(x) 在 (1, +∞) 上单调递增,且 f(1) = e - 1 > 0,因此 f(x) >= 0 的解集为 (x∈[1, +∞)),此时 a 的取值范围为 a <= e - 1。 综上所述,a∈(-∞, 1)∩(-∞, e-1]=(-∞, 1)。
(2) 假设 x1 * x2 >= 1,则由于 x1 和 x2 是 f(x) 的零点,因此 f(x1) = f(x2) = 0,即 (e^x1) / x1 - ln x1 + x - a = 0,(e^x2) / x2 - ln x2 + x - a = 0。将两式相乘得到: (e^x1 * e^x2) / (x1 * x2) - (ln x1 + ln x2) - 2a + x1 + x2 = 0 由于 x1 和 x2 是 f(x) 的零点,因此 f(x) 在 (x1, x2) 和 (x2, x1) 上异号,即 f(x) 在 (x1, x2) 上单调递增,且 f(x) 在 (x2, x1) 上单调递减。由于 f(x1) = f(x2) = 0,因此 f(x) 在 (x2, x1) 上必须取负值,即 f(x2) < 0,f(x1) < 0。因此,将 x = x2 代入 f(x) 的表达式得到: (e^x2) / x2 - ln x2 + x2 - a < 0 移项得到: ln x2 - x2 + a > (e^x2) / x2 由于 x1 * x2 >= 1,因此 x2 >= 1 / x1,代入上式得到: ln x1 / x1 + a > (e^x2) / x2 因为 f(x) 在 (x1, x2) 上单调递增,且 f(x1) < 0,因此 f(x) < 0 在 (x1, x2) 上恒成立。因此,将 x = x1 代入 f(x) 的表达式得到: (e^x1) / x1 - ln x1 + x1 - a < 0 移项得到: ln x1 - x1 + a < (e^x1) / x1 由于 x1 * x2 >= 1,因此 x1 <= 1 / x2,代入上式得到: ln x2 / x2 + a < (e^x1) / x1 因为 f(x) 在 (x2, x1) 上单调递减,且 f(x2) < 0,因此 f(x) < 0 在 (x2, x1) 上恒成立。因此,将上述两个不等式相加,得到: ln(x1 / x2) + 2a < (e^x1 * e^x2) / (x1 * x2) 由于 x1 * x2 >= 1,因此 ln(x1 / x2) <= 0,因此有: 2a < (e^x1 * e^x2) / (x1 * x2) 因此,a < (e^x1 * e^x2) / (2x1 * x2)。而由于 x1 和 x2 是 f(x) 的零点,因此有: (e^x1) / x1 = (e^x2) / x2 即 e^(x1 - x2) = x1 / x2,因此有: (e^x1 * e^x2) / (x1 * x2) = e^(x1 + x2) 因此,a < e^(x1 + x2) / 2。因为 x1 和 x2 是 f(x) 的零点,因此有: f((x1 + x2) / 2) = ((e^(x1 + x2) / 2)) / ((x1 + x2) / 2) - ln((x1 + x2) / 2) + (x1 + x2) / 2 - a = 0 由于 x1 和 x2 是 f(x) 的零点,因此 f(x) 在 (x2, (x1 + x2) / 2) 上单调递增,且 f(x2) < 0,因此 f((x1 + x2) / 2) < 0。因此,a > e^(x1 + x2) / 2。综上所述,a 必须同时满足 a < e^(x1 + x2) / 2 和 a > (e^x1 * e^x2) / (2x1 * x2),这在数轴上的位置如下图所示:
图中,P 表示 e^(x1 + x2) / 2,Q 表示 (e^x1 * e^x2) / (2x1 * x2),R 表示左右两个不等式的交集。由于 P > Q,因此 R 的左端点是 Q,右端点是 P。因此,a 的取值范围为 a∈(Q, P)。因为 e^(x1 + x2) > 1,因此有: (e^x1 * e^x2) / (2x1 * x2) < e^(x1 + x2) / 2 因此,Q < (e^(x1 + x2)) / 2,即 P > (e^(x1 + x2)) / 2。因此,R = (e^(x1 + x2)) / 2,即 a 的取值范围为 a > (e^x1 * e^x2) / (2x1 * x2) 且 a < (e^(x1 + x2)) / 2。 综上所述,当 x1 * x2 >= 1 时,a 的取值范围为 a > (e^x1 * e^x2) / (2x1 * x2) 且 a < (e^(x1 + x2)) / 2。当 a∈((e^x1 * e^x2) / (2x1 * x2), (e^(x1 + x2)) / 2) 时,f(x) 有两个零点 x1 和 x2,且 x1 * x2 < 1,证毕。
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