导密-10 隐零点

隐零点

方法介绍

不用(无法)求出零点,设为$x_0$,利用方程替换来求其他值

要点

写出关于$x_0$的各种变形形式,方便替换

例题

$f(x) = xe^x - \ln x - x$($x > 0$),问题为求$f(x)$的最小值。求导有

$$ f'(x) = (x+1) \left( e^x - \frac{1}{x} \right), $$

其中$y = x + 1$无零点。令$g(x) = e^x - \frac{1}{x}$,可以看出$g(x)$单调递增,利用零点存在定理寻找零点区间,

$$ g(1) = e - 1 > 0, \quad g\left( \frac{1}{2} \right) = \sqrt{e} - 2 < 0. $$

至于点的选取,就是零点问题中的取点问题,后面章节有介绍。本题比较容易,因为问题中的函数不含参数,因此可以比较容易地取出有效点。存在$x_0 \in \left( \frac{1}{2}, 1 \right)$使得

$$ g(x_0) = e^{x_0} - \frac{1}{x_0} = 0. $$

我们并不知道这个$x_0$具体是多少,只能证明其存在,就是方程$e^x - \frac{1}{x} = 0$的实数根,我们称其为隐零点。当$0 < x < x_0$时,$f(x)$单调递减;当$x > x_0$时,$f(x)$单调递增。故

$$ f(x)_{\min} = f(x_0) = x_0 e^{x_0} - \ln x_0 - x_0. $$

接下来利用$e^{x_0} - \frac{1}{x_0} = 0$,即$x_0 e^{x_0} = 1$进行替换,则有

$$ x_0 e^{x_0} - \ln x_0 - x_0 = x_0 e^{x_0} - \ln x_0 e^{x_0} = 1. $$

因此$f(x) = xe^x - \ln x - x$的最小值为 1,取等条件就是满足方程$e^x - \frac{1}{x} = 0$的实数根。

数学思想

$$\boxed{{\tiny \circ{方程与函数}\circ{分类讨论}\circ{数形结合}\bullet{转化与化归} }}$$

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