好的,我们来详细研究函数 $f(x) = e^x ln x$ 和 $g(x) = e^x / ln x$ 的单调性。
要研究函数的单调性,最核心的方法是求导数,然后分析导数的符号。
第一部分:研究函数 $f(x) = e^x ln x$ 的单调性
1. 定义域的确定
首先,我们需要确定函数的定义域。
$e^x$ 是对所有实数都有定义的。
$ln x$ 要求 $x > 0$。
$e^x ln x$ 是两个函数的乘积,所以定义域为所有使 $ln x$ 有意义的 $x$ 值,即 $x > 0$。
因此,$f(x)$ 的定义域是 $(0, +infty)$。
2. 求导数
我们使用导数的乘积法则来求 $f(x)$ 的导数:
$(uv)' = u'v + uv'$
令 $u = e^x$ 和 $v = ln x$。
则 $u' = frac{d}{dx}(e^x) = e^x$
且 $v' = frac{d}{dx}(ln x) = frac{1}{x}$
将这些代入乘积法则:
$f'(x) = (e^x)' ln x + e^x (ln x)'$
$f'(x) = e^x ln x + e^x cdot frac{1}{x}$
$f'(x) = e^x (ln x + frac{1}{x})$
3. 分析导数的符号
为了确定函数的单调性,我们需要找到使 $f'(x) > 0$(单调递增)和 $f'(x) < 0$(单调递减)的 $x$ 的范围。
$f'(x) = e^x (ln x + frac{1}{x})$
我们知道,对于所有实数 $x$, $e^x > 0$。
所以,$f'(x)$ 的符号完全取决于 $(ln x + frac{1}{x})$ 的符号。
令 $h(x) = ln x + frac{1}{x}$。我们需要分析 $h(x)$ 的符号。
3.1. 分析 $h(x) = ln x + frac{1}{x}$ 的单调性
为了分析 $h(x)$ 的单调性,我们再求一次导数:
$h'(x) = frac{d}{dx}(ln x + frac{1}{x})$
$h'(x) = frac{1}{x} + (frac{1}{x^2})$
$h'(x) = frac{1}{x} frac{1}{x^2}$
$h'(x) = frac{x 1}{x^2}$
现在我们分析 $h'(x)$ 的符号:
定义域是 $(0, +infty)$。
分母 $x^2$ 总是正的(因为 $x > 0$)。
因此,$h'(x)$ 的符号取决于分子 $(x1)$ 的符号。
当 $x > 1$ 时,$x 1 > 0$,所以 $h'(x) > 0$。这意味着 $h(x)$ 在 $(1, +infty)$ 上是单调递增的。
当 $0 < x < 1$ 时,$x 1 < 0$,所以 $h'(x) < 0$ 。这意味着 $h(x)$ 在 $(0, 1)$ 上是单调递减的。
3.2. 分析 $h(x)$ 的极小值
由于 $h(x)$ 在 $(0, 1)$ 单调递减,在 $(1, +infty)$ 单调递增,所以 $h(x)$ 在 $x=1$ 处取得极小值。
计算极小值:
$h(1) = ln 1 + frac{1}{1} = 0 + 1 = 1$
3.3. 分析 $f'(x)$ 的符号
回顾 $f'(x) = e^x (ln x + frac{1}{x})$,其符号由 $h(x) = ln x + frac{1}{x}$ 的符号决定。
我们知道 $h(x)$ 的最小值为 $1$,并且这个最小值发生在 $x=1$ 处。
这意味着,对于所有的 $x in (0, +infty)$,都有 $h(x) = ln x + frac{1}{x} ge 1$。
因为 $h(x) ge 1$,所以 $h(x)$ 恒大于 $0$。
由于 $e^x > 0$ 且 $h(x) > 0$ 对所有 $x in (0, +infty)$ 都成立,所以:
$f'(x) = e^x (ln x + frac{1}{x}) > 0$ 对所有 $x in (0, +infty)$ 都成立。
4. 结论
因为 $f'(x) > 0$ 在其定义域 $(0, +infty)$ 上恒成立,所以函数 $f(x) = e^x ln x$ 在其定义域 $(0, +infty)$ 上单调递增。
第二部分:研究函数 $g(x) = frac{e^x}{ln x}$ 的单调性
1. 定义域的确定
首先,我们需要确定函数的定义域。
$e^x$ 是对所有实数都有定义的。
$ln x$ 要求 $x > 0$。
$ln x$ 不能为零,即 $x
eq 1$。
综合以上条件,函数 $g(x)$ 的定义域是 $(0, 1) cup (1, +infty)$。
2. 求导数
我们使用导数的商法则来求 $g(x)$ 的导数:
$(frac{u}{v})' = frac{u'v uv'}{v^2}$
令 $u = e^x$ 和 $v = ln x$。
则 $u' = frac{d}{dx}(e^x) = e^x$
且 $v' = frac{d}{dx}(ln x) = frac{1}{x}$
将这些代入商法则:
$g'(x) = frac{(e^x)' ln x e^x (ln x)'}{(ln x)^2}$
$g'(x) = frac{e^x ln x e^x cdot frac{1}{x}}{(ln x)^2}$
$g'(x) = frac{e^x (ln x frac{1}{x})}{(ln x)^2}$
3. 分析导数的符号
为了确定函数的单调性,我们需要找到使 $g'(x) > 0$(单调递增)和 $g'(x) < 0$(单调递减)的 $x$ 的范围。
$g'(x) = frac{e^x (ln x frac{1}{x})}{(ln x)^2}$
我们分析各个部分的符号:
$e^x$:对于所有 $x$ ,$e^x > 0$。
$(ln x)^2$:对于所有在定义域内的 $x$,$x
eq 1$,所以 $ln x
eq 0$,因此 $(ln x)^2 > 0$。
所以,$g'(x)$ 的符号完全取决于 $(ln x frac{1}{x})$ 的符号。
令 $k(x) = ln x frac{1}{x}$。我们需要分析 $k(x)$ 的符号。
3.1. 分析 $k(x) = ln x frac{1}{x}$ 的单调性
为了分析 $k(x)$ 的单调性,我们再求一次导数:
$k'(x) = frac{d}{dx}(ln x frac{1}{x})$
$k'(x) = frac{1}{x} (frac{1}{x^2})$
$k'(x) = frac{1}{x} + frac{1}{x^2}$
$k'(x) = frac{x + 1}{x^2}$
现在我们分析 $k'(x)$ 的符号:
定义域是 $(0, 1) cup (1, +infty)$。
分母 $x^2$ 总是正的(因为 $x > 0$)。
分子 $x+1$ 对于 $x > 0$ 总是正的。
因此,$k'(x) = frac{x+1}{x^2} > 0$ 对所有 $x in (0, 1) cup (1, +infty)$ 都成立。
这意味着 $k(x)$ 在其整个定义域 $(0, 1)$ 和 $(1, +infty)$ 上都是单调递增的。
3.2. 分析 $k(x) = ln x frac{1}{x}$ 的零点
为了确定 $k(x)$ 的符号,我们需要找到它的零点。也就是说,我们要解方程 $ln x frac{1}{x} = 0$,即 $ln x = frac{1}{x}$。
我们知道 $k(x)$ 在 $(0, 1)$ 上单调递增,在 $(1, +infty)$ 上单调递增。
让我们考察 $k(x)$ 在定义域边界的极限:
当 $x o 0^+$ 时,$ln x o infty$,$frac{1}{x} o +infty$。所以 $k(x) = ln x frac{1}{x} o infty (+infty) = infty$。
当 $x o 1^$ 时,$ln x o 0$(负值),$frac{1}{x} o 1$。所以 $k(x) o 0 1 = 1$。
当 $x o 1^+$ 时,$ln x o 0$(正值),$frac{1}{x} o 1$。所以 $k(x) o 0 1 = 1$。
当 $x o +infty$ 时,$ln x o +infty$,$frac{1}{x} o 0$。所以 $k(x) = ln x frac{1}{x} o +infty 0 = +infty$。
由于 $k(x)$ 在 $(0, 1)$ 上连续且单调递增,从 $infty$ 递增到 $1$,所以 $k(x)$ 在 $(0, 1)$ 上始终小于 $0$。
由于 $k(x)$ 在 $(1, +infty)$ 上连续且单调递增,从 $1$ 递增到 $+infty$,所以 $k(x)$ 在 $(1, +infty)$ 上存在唯一一个零点。
让我们尝试寻找这个零点。令这个零点为 $x_0$,即 $ln x_0 = frac{1}{x_0}$。
我们注意到一个事实:
当 $x=1$ 时,$ln 1 = 0$,$frac{1}{1} = 1$。$0 < 1$,所以 $k(1) = ln 1 frac{1}{1} = 1 < 0$。
当 $x=2$ 时,$ln 2 approx 0.693$,$frac{1}{2} = 0.5$。$0.693 > 0.5$,所以 $k(2) = ln 2 frac{1}{2} > 0$。
因此,零点 $x_0$ 存在于 $(1, 2)$ 之间。
由于 $k(x)$ 在 $(1, +infty)$ 上单调递增,并且在 $x_0$ 处为 $0$,我们可以得出:
当 $1 < x < x_0$ 时,$k(x) < 0$。
当 $x > x_0$ 时,$k(x) > 0$。
3.3. 分析 $g'(x)$ 的符号
回顾 $g'(x) = frac{e^x k(x)}{(ln x)^2}$。
在区间 $(0, 1)$ 上:$k(x) < 0$。所以 $g'(x) = frac{(+)() }{(+)} < 0$。
在区间 $(1, x_0)$ 上:$k(x) < 0$。所以 $g'(x) = frac{(+)() }{(+)} < 0$。
在区间 $(x_0, +infty)$ 上:$k(x) > 0$。所以 $g'(x) = frac{(+)(+) }{(+)} > 0$。
4. 结论
在区间 $(0, 1)$ 上,$g'(x) < 0$,所以函数 $g(x) = frac{e^x}{ln x}$ 单调递减。
在区间 $(1, x_0)$ 上,$g'(x) < 0$,所以函数 $g(x) = frac{e^x}{ln x}$ 单调递减。
在区间 $(x_0, +infty)$ 上,$g'(x) > 0$,所以函数 $g(x) = frac{e^x}{ln x}$ 单调递增。
其中,$x_0$ 是方程 $ln x = frac{1}{x}$ 的唯一正根,且 $1 < x_0 < 2$。
总结一下研究单调性的步骤:
1. 确定函数的定义域。 这是至关重要的一步,任何后续的分析都必须在这个定义域内进行。
2. 求函数的导数。
3. 分析导数的符号。 这是核心。通常需要:
简化导数表达式。
识别导数表达式中符号恒定的部分(如 $e^x$, $(ln x)^2$)。
重点分析符号不确定的部分(通常是含有变量的代数表达式或超越函数表达式)。
为了分析不确定部分的符号,可能需要进一步求导,研究其单调性,或者分析其在定义域边界的极限,寻找零点来划分区间。
4. 根据导数的符号判断函数的单调性。
导数大于零,函数单调递增。
导数小于零,函数单调递减。
导数为零的点可能是极值点,需要进一步分析。
希望这个详细的解释能帮助你理解如何研究函数的单调性!