隐零点问题

例题

例 1

【2026 深圳一模 18(2)】已知函数 f(x)=ln⁡x−ax+1+4f(x) = \ln x - a\sqrt{x+1} + 4 有两个零点。

(i)求 aa 的取值范围;

(ii)证明:f(x)<2a2+1−1f(x) < \dfrac{2}{\sqrt{a^2+1}-1}。

(i)问思路一

我们试图画出函数图象,但 aa 总是在变化。

aa 只出现了一次,而且被孤立在根号旁边,可考虑分离参数。

令 f(x)=0f(x) = 0,得 a=ln⁡x+4x+1a = \dfrac{\ln x + 4}{\sqrt{x+1}}。

令 g(x)=ln⁡x+4x+1g(x) = \dfrac{\ln x + 4}{\sqrt{x+1}},问题转化为研究水平线 y=ay=a 与曲线 y=ln⁡x+4x+1y=\dfrac{\ln x + 4}{\sqrt{x+1}} 有几个交点,即研究 y=ay = a 和 y=g(x)y = g(x) 的交点,即研究 g(x)g(x) 的图象即可。

(i)问思路二

要出现两个零点,这个函数必须出现先增后减(或先减后增)的过程,且穿过 xx 轴。

那么考虑导数求极值点,有 f′(x)=1x−a2x+1 f'(x) = \dfrac{1}{x} - \dfrac{a}{2\sqrt{x+1}} 。

发现 xx 和 2x+12\sqrt{x+1} 是恒正的(定义域:x>0x > 0),问题出在 aa。

考虑 x→0+x \to 0^+ 和 x→+∞x \to +\infty 的情况:

  • x→0+x \to 0^+,f(x)→−∞f(x) \to -\infty;
  • x→+∞x \to +\infty,f(x)f(x) 取决于 aa 的符号。

如果 a≤0a \leq 0,那么 f′(x)>0f'(x) > 0 恒成立。x→+∞x \to +\infty,f(x)>0f(x) > 0,最多只有一个零点,与题设不符。

所以考虑 a>0a > 0。x→+∞x \to +\infty,f(x)<0f(x) < 0。

令 f′(x)=0f'(x) = 0,得 a2x2−4x−4=0 a^2 x^2 - 4x - 4 = 0 。这就是极值点满足的方程。

(ii)问思路

看到右式的分母有根式,考虑有理化,变成 2a2+1+2a2\dfrac{2\sqrt{a^2+1}+2}{a^2}。

但看起来不够顺眼,回顾(i)问的关键,就是那个极值点满足的方程 a2x02−4x0−4=0 a^2 x_0^2 - 4x_0 - 4 = 0 。剩下的都好办了。

把它代入,发现恰好变成了极大值点 x0x_0。

(i)问解答一

令 f(x)=0f(x) = 0,得 a=ln⁡x+4x+1a = \dfrac{\ln x + 4}{\sqrt{x+1}}。

令 g(x)=ln⁡x+4x+1g(x) = \dfrac{\ln x + 4}{\sqrt{x+1}},则

g′(x)=x+1x−ln⁡x+42x+1x+1=x+1x−ln⁡x2−2(x+1)x+1=2x−ln⁡x−22(x+1)x+1\begin{aligned} g'(x) &= \frac{\dfrac{\sqrt{x+1}}{x} - \dfrac{\ln x + 4}{2\sqrt{x+1}}}{x+1} \\ &= \frac{\dfrac{x+1}{x} - \dfrac{\ln x}{2} - 2}{(x+1)\sqrt{x+1}} \\ &= \frac{\dfrac{2}{x} - \ln x - 2}{2(x+1)\sqrt{x+1}} \end{aligned}

想研究 g(x)g(x) 的图象,首先要研究 g(x)g(x) 的单调性,即研究 g′(x)g'(x) 的符号。由于 2(x+1)x+1>02(x+1)\sqrt{x+1} > 0,所以 g′(x)g'(x) 的符号由分子决定。

令 h(x)=2x−ln⁡x−2 h(x) = \dfrac{2}{x} - \ln x - 2 ,则 h′(x)=−2x2−1x<0 h'(x) = -\dfrac{2}{x^2} - \dfrac{1}{x} < 0。

另一种做法是令 h(x)=−xln⁡x−2x+2 h(x) = - x\ln x - 2x + 2 ,这个求导就有点麻烦了。(指数找朋友,对数单身狗)

所以 h(x)h(x) 在 (0,+∞)(0, +\infty) 上单调递减。

又因为 x→0+x \to 0^+ 时 h(x)→+∞ h(x) \to +\infty ,h(1)=0h(1) = 0,所以 0<x<10 < x < 1 时 h(x)>0h(x) > 0,x>1x > 1 时 h(x)<0h(x) < 0。

于是 0<x<10 < x < 1 时 g′(x)>0g'(x) > 0,x>1x > 1 时 g′(x)<0g'(x) < 0。

所以 x=1x = 1 是 g(x)g(x) 的极大值点。

因为 x→0+x \to 0^+ 时 g(x)→−∞ g(x) \to -\infty ;x→+∞x \to +\infty 时,对数增长慢于幂函数, g(x)→0+ g(x) \to 0^+ ,且 g(1)=22g(1) = 2\sqrt{2}。

所以 y=ay = a 与 y=g(x)y = g(x) 要有两个交点,则 0<a<220 < a < 2\sqrt{2}。

证明充分性在(i)问解答二涉及,此处略。

即 aa 的取值范围为 (0,22)\left(0, 2\sqrt{2}\right)。

(i)问解答二(由 Gemini 辅助完成)

由 f(x)=ln⁡x−ax+1+4 (x>0)f(x) = \ln x - a\sqrt{x+1} + 4 \ (x > 0) 得 f′(x)=1x−a2x+1=2x+1−ax2xx+1=4(x+1)−a2x22xx+1(2x+1+ax) f'(x) = \dfrac{1}{x} - \dfrac{a}{2\sqrt{x+1}} = \dfrac{2\sqrt{x+1} - ax}{2x\sqrt{x+1}} = \dfrac{4(x+1) - a^2x^2}{2x\sqrt{x+1}(2\sqrt{x+1} + ax)}。

首先排除 a≤0a \le 0 的情况。

若 a≤0a \leq 0,因为 x>0  ⟹  1x>0x > 0 \implies \dfrac{1}{x} > 0 且 −a2x+1≥0\dfrac{-a}{2\sqrt{x+1}} \ge 0,所以 f′(x)>0f'(x) > 0 恒成立。

此时 f(x)f(x) 在 (0,+∞)(0, +\infty) 上单调递增,至多与 xx 轴只有一个交点,不合题意。

故 a>0a > 0。令 f′(x)=0 f'(x) = 0 ,实质上等价于分子 −a2x2+4x+4=0 -a^2x^2 + 4x + 4 = 0 ,即 a2x2−4x−4=0 a^2x^2 - 4x - 4 = 0 。

有 Δ=16+16a2>0\Delta = 16 + 16a^2 > 0 ,解得 x=4±16+16a22a2=2±21+a2a2x = \dfrac{4 \pm \sqrt{16 + 16a^2}}{2a^2} = \dfrac{2 \pm 2\sqrt{1 + a^2}}{a^2}。

由于 x>0x > 0,所以 x0=2+21+a2a2 x_0 = \dfrac{2 + 2\sqrt{1 + a^2}}{a^2} 。

且当 x∈(0,x0)x \in (0, x_0) 时,分子 >0>0,即 f′(x)>0f'(x) > 0;当 x∈(x0,+∞)x \in (x_0, +\infty) 时,分子 <0<0,即 f′(x)<0f'(x) < 0。

则 f(x)f(x) 在 (0,x0)(0, x_0) 上单调递增,在 (x0,+∞)(x_0, +\infty) 上单调递减。x0x_0 就是 f(x)f(x) 的极大值点。

设 a2x02−4x0−4=0 a^2 x_0^2 - 4x_0 - 4 = 0 ,x0x_0 就是 f(x)f(x) 的极大值点。

整理得 a=2x0+1x0 a = \dfrac{2\sqrt{x_0 + 1}}{x_0} 。

所以 f(x)max⁡=f(x0)=ln⁡x0−ax0+1+4=ln⁡x0−2x0+1x0+4=ln⁡x0−2x0+2f(x)_{\max} = f(x_0) = \ln x_0 - a\sqrt{x_0+1} + 4 = \ln x_0 - 2\dfrac{x_0 + 1}{x_0} + 4 = \ln x_0 - \dfrac{2}{x_0} + 2 。

后面要解方程,发现同时有 aa 和 x0x_0 两个变量,很烦。

要 f(x)f(x) 有两个零点,必有 f(x0)>0f(x_0) > 0,即 ln⁡x0−2x0+2>0 \ln x_0 - \dfrac{2}{x_0} + 2 > 0。

设 g(x)=ln⁡x−2x+2g(x) = \ln x - \dfrac{2}{x} + 2,有 g′(x)=1x+2x2>0 g'(x) = \dfrac{1}{x} + \dfrac{2}{x^2} > 0 ,所以 g(x)g(x) 在 (0,+∞)(0, +\infty) 上单调递增。

又 g(1)=0g(1) = 0,所以 x>1x > 1 时,g(x)>0g(x) > 0。于是 x0>1x_0 > 1。

现在由 x0>1x_0 > 1 来解出 aa 的取值范围。

令 a=h(x)=2x+1xa = h(x) = \dfrac{2\sqrt{x + 1}}{x}。

则 h′(x)=xx+1−2x+1x2=x−2(x+1)x2x+1=−x−2x2x+1<0 h'(x) = \dfrac{\dfrac{x}{\sqrt{x+1}} - 2\sqrt{x+1}}{x^2} = \dfrac{x - 2(x+1)}{x^2 \sqrt{x+1}} = \dfrac{-x - 2}{x^2 \sqrt{x+1}} < 0 。

即 h(x)h(x) 在 (0,+∞)(0, +\infty) 上单调递减。

因为 h(1)=22h(1) = 2\sqrt{2},且当 x→+∞x \to +\infty 时,h(x)→0+h(x) \to 0^+,所以 h(x)h(x) 在 (1,+∞)(1, +\infty) 的值域为 (0,22)\left(0, 2\sqrt{2}\right)。

另解:用换元法取代繁琐的求导求值域

因为 a=2x0+1x0>0a = \dfrac{2\sqrt{x_0 + 1}}{x_0} > 0,将其平方得:a24=x0+1x02=(1x0)2+1x0\dfrac{a^2}{4} = \dfrac{x_0 + 1}{x_0^2} = \left(\dfrac{1}{x_0}\right)^2 + \dfrac{1}{x_0}。

因为 x0>1x_0 > 1,令 t=1x0t = \dfrac{1}{x_0},则 t∈(0,1)t \in (0, 1)。

设 y=t2+ty = t^2 + t,它在 (0,1)(0, 1) 上单调递增,所以 y∈(0,2)y \in (0, 2)。

即 a24∈(0,2)  ⟹  a2∈(0,8)\dfrac{a^2}{4} \in (0, 2) \implies a^2 \in (0, 8)。因为 a>0a>0,得出 a∈(0,22)a \in \left(0, 2\sqrt{2}\right)。

即 aa 的取值范围为 (0,22)\left(0, 2\sqrt{2}\right)。

核心修补:充分性证明与寻找端点的思维过程

上面只证明了“︁如果极大值大于 00,那么 a∈(0,22)a \in \left(0, 2\sqrt{2}\right)”︁。但这还不够!

极大值大于 00,并不代表两边一定会穿过 xx 轴(比如它可能有一条 y=1y=1 的渐近线)。

根据零点存在性定理,我们必须在 x0x_0 的左侧和右侧各找到一个点,使得函数值小于 00。

1. 寻找极值点左侧 (0,x0)(0, x_0) 的点

当 x→0+x \to 0^+ 时,f(x)f(x) 中的 ln⁡x→−∞\ln x \to -\infty,而 −ax+1+4→4−a-a\sqrt{x+1} + 4 \to 4-a(常数)。所以 ln⁡x\ln x 是绝对的主导项。

我们需要找一个很小的 xx,让 f(x)<0f(x) < 0。

观察 f(x)=ln⁡x−ax+1+4f(x) = \ln x - a\sqrt{x+1} + 4。因为 a>0a>0 且 x+1>1\sqrt{x+1} > 1,所以 −ax+1<0-a\sqrt{x+1} < 0。

只要让 ln⁡x+4≤0\ln x + 4 \le 0,整个函数值就必然小于 00 了!

令 ln⁡x+4=0\ln x + 4 = 0,得到 x=e−4x = e^{-4}。

取 x=e−4x = e^{-4}。因为 x0>1x_0 > 1,显然 e−4∈(0,x0)e^{-4} \in (0, x_0)。

f(e−4)=ln⁡(e−4)−ae−4+1+4=−4−ae−4+1+4=−ae−4+1f(e^{-4}) = \ln(e^{-4}) - a\sqrt{e^{-4}+1} + 4 = -4 - a\sqrt{e^{-4}+1} + 4 = -a\sqrt{e^{-4}+1}。

因为 a>0a > 0,所以 f(e−4)<0f(e^{-4}) < 0。

由零点存在性定理,因为 f(e−4)<0f(e^{-4}) < 0 且 f(x0)>0f(x_0) > 0,所以 f(x)f(x) 在区间 (e−4,x0)(e^{-4}, x_0) 内必存在一个零点 x1x_1。

2. 寻找极值点右侧 (x0,+∞)(x_0, +\infty) 的点

当 x→+∞x \to +\infty 时,ln⁡x\ln x 增长极慢,而 −ax-a\sqrt{x} 趋向于 −∞-\infty 的速度远快于 ln⁡x\ln x。所以右侧最终必然是负的。

但考试不能写“︁趋于无穷”︁,必须用不等式放缩。

高中最常用的对数放缩是 ln⁡x≤x−1\ln x \le x - 1。(如果整体过程很复杂,可以不用证明,但过程较为简单的话,最好证明一下)

如果直接用 ln⁡x≤x−1\ln x \le x-1,那么 f(x)≤(x−1)−ax+4f(x) \le (x - 1) - a\sqrt{x} + 4,这里 xx 比 x\sqrt{x} 的次数高,当 xx 很大时,多项式反而趋向正无穷,放缩失败!

我们需要降低 ln⁡x\ln x 内部的次数。

我们可以写成 ln⁡x=4ln⁡x14\ln x = 4\ln x^{\frac{1}{4}},再用不等式 ln⁡t≤t−1\ln t \le t-1,就有 4ln⁡x14≤4(x14−1)=4x4−44\ln x^{\frac{1}{4}} \le 4\left(x^{\frac{1}{4}} - 1\right) = 4\sqrt[4]{x} - 4。

此时再看 f(x)f(x):它被放缩成了 4x4−ax4\sqrt[4]{x} - a\sqrt{x}。

提取公因式:x4(4−ax4)\sqrt[4]{x} (4 - a\sqrt[4]{x})。

只要让括号里 <0< 0,即 ax4>4  ⟹  x>256a4a\sqrt[4]{x} > 4 \implies x > \dfrac{256}{a^4},就成功了!

当 x>0x > 0 时,知不等式 ln⁡x≤x−1\ln x \le x - 1 恒成立。

故 ln⁡x=4ln⁡x14≤4(x14−1)=4x4−4\ln x = 4\ln x^{\frac{1}{4}} \le 4\left(x^{\frac{1}{4}} - 1\right) = 4\sqrt[4]{x} - 4。

则 f(x)=ln⁡x−ax+1+4<ln⁡x−ax+4≤(4x4−4)−ax+4=4x4−axf(x) = \ln x - a\sqrt{x+1} + 4 < \ln x - a\sqrt{x} + 4 \le (4\sqrt[4]{x} - 4) - a\sqrt{x} + 4 = 4\sqrt[4]{x} - a\sqrt{x}。

提取公因式得:f(x)<x4(4−ax4)f(x) < \sqrt[4]{x} \left(4 - a\sqrt[4]{x}\right)。

要使 f(x)<0f(x) < 0,只需让 4−ax4<04 - a\sqrt[4]{x} < 0,即 x4>4a\sqrt[4]{x} > \dfrac{4}{a},解得 x>256a4x > \dfrac{256}{a^4}。

取 x2=max⁡{x0+1, 256a4+1}x_2 = \max\left\{x_0 + 1, \, \dfrac{256}{a^4} + 1\right\}(确保该点既在 x0x_0 右侧,又满足放缩条件)。

则 f(x2)<0f(x_2) < 0。

由零点存在性定理,因为 f(x2)<0f(x_2) < 0 且 f(x0)>0f(x_0) > 0,所以 f(x)f(x) 在区间 (x0,x2)(x_0, x_2) 内必存在另一个零点 x3x_3。

综上所述,当 a∈(0,22)a \in (0, 2\sqrt{2}) 时,函数 f(x)f(x) 在 (0,+∞)(0, +\infty) 上有且仅有两个零点。

故 aa 的取值范围是 (0,22)(0, 2\sqrt{2})。

(ii)问解答

由(i)中 a2x02−4x0−4=0 a^2x_0^2 - 4x_0 - 4 = 0 得 a2=4(x0+1)x02 a^2 = \dfrac{4(x_0+1)}{x_0^2} 。

所以

2a2+1−1=24(x0+1)x02+1−1=24x0+4+x02x02−1=2x0+2x0−1=x0\frac{2}{\sqrt{a^2+1} - 1} = \frac{2}{\sqrt{\dfrac{4(x_0+1)}{x_0^2}+1}-1} = \frac{2}{\sqrt{\dfrac{4x_0+4+x_0^2}{x_0^2}}-1} = \frac{2}{\dfrac{x_0+2}{x_0} - 1} = x_0

即欲证明原命题,只需证明对于所有 x>0x > 0,都有 f(x)<x0f(x) < x_0 成立,即证明 f(x)max⁡<x0f(x)_{\max} < x_0 成立。

由于 f(x)max⁡=f(x0)f(x)_{\max} = f(x_0),只需证明 f(x0)<x0f(x_0) < x_0,即 ln⁡x0−2x0+2<x0\ln x_0 - \dfrac{2}{x_0} + 2 < x_0。

下证:ln⁡x0−x0−2x0+2<0 \ln x_0 - x_0 - \dfrac{2}{x_0} + 2 < 0 。

令 F(x)=ln⁡x−x−2x+2 (x>1) F(x) = \ln x - x - \dfrac{2}{x} + 2 \ (x > 1) ,有

F′(x)=1x+2x2−1=−x2−x−2x2=−(x−2)(x+1)x2F'(x) = \frac{1}{x} + \frac{2}{x^2} - 1 = -\frac{x^2 - x - 2}{x^2} = \frac{-(x-2)(x+1)}{x^2}

令 F′(x)=0 F'(x) = 0 ,得 x=2 x = 2 ;

令 F′(x)>0 F'(x) > 0 ,得 1<x<2 1 < x < 2 ;

令 F′(x)<0 F'(x) < 0 ,得 x>2 x > 2 。

因此 x=2x = 2 为 F(x) F(x) 的极大值点。

即 F(x)max⁡=F(2)=ln⁡2−1<0 F(x)_{\max} = F(2) = \ln 2 - 1 < 0 。

即原命题得证。