∫π每天一道数学题
2026年7月4日 · 星期六

导数恒成立问题(含指数与对数)

圆锥曲线
#28
优雅执行的证明是一首诗,只是形式不同。——克莱因

题目

已知对任意 x[1,+)x \in [1, +\infty),都有 aeaxlnx0a\mathrm{e}^{ax} - \ln x \geqslant 0aRa \in \mathbb{R}),则 aa 的取值范围为

A. [1e,+)\left[\dfrac{1}{\mathrm{e}}, +\infty\right)

B. [1,+)\left[1, +\infty\right)

C. [2,+)\left[2, +\infty\right)

D. [e,+)\left[\mathrm{e}, +\infty\right)

参考解析

解析

思路分析: 本题为指数与对数混合的恒成立问题,直接研究 f(x)=aeaxlnxf(x) = a\mathrm{e}^{ax} - \ln x 的单调性与最小值,通过换元 t=ax0t = ax_0 将最小值表达式转化为关于 tt 的函数,利用 g(t)=1t2lnttg(t) = \dfrac{1}{t} - 2\ln t - t 的单调性确定临界条件。


解:f(x)=aeaxlnxf(x) = a\mathrm{e}^{ax} - \ln xx1x \geqslant 1

f(1)=aea0f(1) = a\mathrm{e}^a \geqslant 0a0a \geqslant 0。当 a=0a = 0f(x)=lnx0f(x) = -\ln x \leqslant 0x>1x > 1),不满足,故 a>0a > 0

求导:f(x)=a2eax1xf'(x) = a^2\mathrm{e}^{ax} - \dfrac{1}{x}f(x)=a3eax+1x2>0f''(x) = a^3\mathrm{e}^{ax} + \dfrac{1}{x^2} > 0

f(x)f'(x)[1,+)[1, +\infty) 上单调递增,f(1)=a2ea1f'(1) = a^2\mathrm{e}^a - 1

(1)当 f(1)0f'(1) \geqslant 0,即 a2ea1a^2\mathrm{e}^a \geqslant 1 时, f(x)0f'(x) \geqslant 0 恒成立,f(x)f(x) 单调递增, f(x)f(1)=aea>0f(x) \geqslant f(1) = a\mathrm{e}^a > 0,满足条件。

(2)当 f(1)<0f'(1) < 0,即 a2ea<1a^2\mathrm{e}^a < 1 时, 存在唯一 x0>1x_0 > 1 使 f(x0)=0f'(x_0) = 0f(x)f(x)(1,x0)(1, x_0) 递减,(x0,+)(x_0, +\infty) 递增, 最小值 f(x0)=aeax0lnx0f(x_0) = a\mathrm{e}^{ax_0} - \ln x_0

f(x0)=0f'(x_0) = 0a2eax0=1x0a^2\mathrm{e}^{ax_0} = \dfrac{1}{x_0},即 a2x0eax0=1a^2 x_0 \mathrm{e}^{ax_0} = 1

eax0=1a2x0\mathrm{e}^{ax_0} = \dfrac{1}{a^2 x_0} 代入 f(x0)f(x_0)

f(x0)=a1a2x0lnx0=1ax0lnx0f(x_0) = a \cdot \dfrac{1}{a^2 x_0} - \ln x_0 = \dfrac{1}{a x_0} - \ln x_0

a2x0eax0=1a^2 x_0 \mathrm{e}^{ax_0} = 1 两边取对数:2lna+lnx0+ax0=02\ln a + \ln x_0 + a x_0 = 0,即 lnx0=2lnaax0\ln x_0 = -2\ln a - a x_0

代入得:

f(x0)=1ax0+2lna+ax0f(x_0) = \dfrac{1}{a x_0} + 2\ln a + a x_0

t=ax0>0t = a x_0 > 0,则 f(x0)=1t+2lna+tf(x_0) = \dfrac{1}{t} + 2\ln a + t

aax0eax0=atet=1a \cdot a x_0 \cdot \mathrm{e}^{ax_0} = a \cdot t \cdot \mathrm{e}^t = 1,即 tet=1at \mathrm{e}^t = \dfrac{1}{a}

a=1teta = \dfrac{1}{t \mathrm{e}^t}lna=lntt\ln a = -\ln t - t

代入 f(x0)f(x_0)

f(x0)=1t+2(lntt)+t=1t2lnttf(x_0) = \dfrac{1}{t} + 2(-\ln t - t) + t = \dfrac{1}{t} - 2\ln t - t

g(t)=1t2lnttg(t) = \dfrac{1}{t} - 2\ln t - tt>0t > 0

g(t)=1t22t1<0g'(t) = -\dfrac{1}{t^2} - \dfrac{2}{t} - 1 < 0

g(t)g(t)(0,+)(0, +\infty) 上单调递减,且 g(1)=101=0g(1) = 1 - 0 - 1 = 0

所以 f(x0)0    g(t)0    t1f(x_0) \geqslant 0 \iff g(t) \geqslant 0 \iff t \leqslant 1

tet=1at \mathrm{e}^t = \dfrac{1}{a}t1t \leqslant 11a=tet1e1=e\dfrac{1}{a} = t \mathrm{e}^t \leqslant 1 \cdot \mathrm{e}^1 = \mathrm{e}

a1ea \geqslant \dfrac{1}{\mathrm{e}}


综上所述,aa 的取值范围为 [1e,+)\left[\dfrac{1}{\mathrm{e}}, +\infty\right),故选 A。


验证:a=1e0.368a = \dfrac{1}{\mathrm{e}} \approx 0.368f(x)=1eex/elnxf(x) = \dfrac{1}{\mathrm{e}} \cdot \mathrm{e}^{x/\mathrm{e}} - \ln xx=ex = \mathrm{e} 时,f(e)=1eee/elne=1ee1=0f(\mathrm{e}) = \dfrac{1}{\mathrm{e}} \cdot \mathrm{e}^{\mathrm{e}/\mathrm{e}} - \ln \mathrm{e} = \dfrac{1}{\mathrm{e}} \cdot \mathrm{e} - 1 = 0, 且 f(x)0f(x) \geqslant 0 恒成立,1e\dfrac{1}{\mathrm{e}} 为临界值。

a=1a = 1f(x)=exlnxf(x) = \mathrm{e}^x - \ln xf(1)=e>0f(1) = \mathrm{e} > 0,满足条件,且 1>1e1 > \dfrac{1}{\mathrm{e}},故 B 选项 [1,+)[1, +\infty) 虽然正确但范围过窄,非完整解集。

答案:A

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