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已知函数,
,其中a>1.
(I)求函数的单调区间;
(II)若曲线在点
处的切线与曲线
在点
处的切线平行,证明
;
(III)证明当时,存在直线l,使l是曲线
的切线,也是曲线
的切线.
(Ⅰ)单调递减区间,单调递增区间为
;(Ⅱ)证明见解析;(Ⅲ)证明见解析.
(II)曲线在点
处的切线斜率为
.曲线
在点
处的切线斜率为
.原问题等价于
.两边取对数可得
.
(III)由题意可得两条切线方程分别为l1:.l2:
.则原问题等价于当
时,存在
,
,使得l1和l2重合.转化为当
时,关于x1的方程
存在实数解,构造函数,令
,结合函数的性质可知存在唯一的x0,且x0>0,使得
,据此可证得存在实数t,使得
,则题中的结论成立.
详解:(I)由已知,,有
.
令,解得x=0.
由a>1,可知当x变化时,,
的变化情况如下表:
x
0
0
+
极小值
所以函数的单调递减区间为
,单调递增区间为
.
(II)由,可得曲线
在点
处的切线斜率为
.
由,可得曲线
在点
处的切线斜率为
.
因为这两条切线平行,故有,即
.
两边取以a为底的对数,得,所以
.
(III)曲线在点
处的切线l1:
.
曲线在点
处的切线l2:
.
要证明当时,存在直线l,使l是曲线
的切线,也是曲线
的切线,
只需证明当时,存在
,
,使得l1和l2重合.
即只需证明当时,方程组
有解,
由①得,代入②,得
. ③
因此,只需证明当时,关于x1的方程③存在实数解.
设函数,
即要证明当时,函数
存在零点.
,可知
时,
;
时,
单调递减,
又,
,
故存在唯一的x0,且x0>0,使得,即
.
由此可得在
上单调递增,在
上单调递减.
在
处取得极大值
.
因为,故
,
所以.
下面证明存在实数t,使得.
由(I)可得,
当时,
有
,
所以存在实数t,使得
因此,当时,存在
,使得
.
所以,当时,存在直线l,使l是曲线
的切线,也是曲线
的切线.
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