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专题 4 用导数研究函数的最值
函数与导数一直是高考中的热点与难点,函数的最值是函数的一个重要性质,有些复杂的函数的最值,只能借
助导数来求,高考常考题型一是给出确定函数或含有参数的函数求最值,二是求解不等式恒成立问题,常常利
用函数的最值来求解,此类问题一般难度较大,多以压轴题形式出现.
(一) 求函数y f x在闭区间a,b上的最值
一般地,如果在区间a,b上函数y f x的图象是一条连续不断的曲线,那么它必有最大值与最小值.
求函数f(x)在[a,b]上的最大值和最小值的步骤
(1)求函数在(a,b)内的极值;
(2)求函数在区间端点的函数值f(a),f(b);
(3)将函数f(x)的极值与f(a),f(b)比较,其中最大的一个为最大值,最小的一个为最小值.
π
【例1】(2024届山西省晋中市平遥县高三冲刺调研)已知函数 f xlnx+sinx+sin .
10
(1)求函数 f x在区间1,e上的最小值;
(2)判断函数 f x的零点个数,并证明.
π
【解析】(1)因为 f xlnx+sinx+sin ,
10
1 1 1
所以 f¢(x) +cosx,令gx f¢(x) +cosx,g¢x- -sinx,
x x x2
1
当xÎ1,e时,g¢x- -sinx<0,
x2
所以gx在1,e上单调递减,且g11+cos1>0,
1 1 2π 1 1
ge +cose< +cos - <0,
e e 3 e 2
所以由零点存在定理可知,在区间[1,e]存在唯一的a,使ga f¢a0
又当xÎ1,a时,gx f¢x>0;当xÎa,e时,gx f¢x<0;所以 f x在xÎ1,a上单调递增,在xÎa,e上单调递减,
π π
又因为 f 1ln1+sin1+sin sin1+sin ,
10 10
π π
f elne+sine+sin 1+sine+sin > f 1,
10 10
π
所以函数 f(x)在区间[1,e]上的最小值为 f 1sin1+sin .
10
(2)函数 f x在0,+¥上有且仅有一个零点,证明如下:
π 1
函数 f xlnx+sinx+sin ,xÎ0,+¥,则 f¢(x) +cosx,
10 x
1
若00,
x
π
所以 f(x)在区间0,1上单调递增,又 f 1sin1+sin >0,
10
æ1ö 1 π π π
f ç ÷-1+sin +sin <-1+sin +sin 0,
èeø e 10 6 6
结合零点存在定理可知, f(x)在区间0,1有且仅有一个零点,
π
若10,sinx³0,sin >0,则 f x>0,
10
若x>π,因为lnx>lnπ>1³-sinx,所以 f x>0,
综上,函数 f(x)在0,+¥有且仅有一个零点.
(二) 求函数在非闭区间上的最值
求函数在非闭区间上的最值,一般通过研究函数的单调性与极值来确定,若函数在某一区间上有唯一极值点,
则该点处的极值一定是函数的最值.
1
【例2】(2024届青海省部分学校高三下学期协作考试模拟预测)已知函数 f xeax+ x2-ax(aÎR).
2
(1)当a1时,求 f x的最值;
(2)当aÎ-1,1时,证明:对任意的x,x Î-2,2,都有 f x - f x ≤e2-1.
1 2 1 2
1
【解析】(1)当a1时, f xex+ x2-x, f¢xex+x-1,
2
易知 f¢xex+x-1在上R单调递增.
因为 f¢00,所以当x<0时, f¢x<0,当x>0时, f¢x>0,
所以 f x在-¥,0上单调递减,在0,+¥上单调递增,所以 f x有最小值 f 01,无最大值.
(2)证明: f¢xaeax+x-a.令gx f¢xaeax+x-a,则g¢xa2eax+1>0,
所以 f 'x在-2,2上单调递增.
又 f¢00,所以当x<0时, f¢x<0,当x>0时, f¢x>0,
所以 f x在-2,0上单调递减,在0,2上单调递增,
即当aÎ-1,1时, f x在-2,0上单调递减,在0,2上单调递增.
所以 f 2- f 0e2a -2a+1, f -2- f 0e-2a +2a+1.
令hte2t -2t-e2+2,则h¢t2e2t -2,当t<0时,h¢t<0,当t>0时,h¢t>0,
所以ht在-¥,0上单调递减,在0,+¥上单调递增.
1
因为h10,h-1 +4-e2 <0,所以当tÎ-1,1时,ht£0,
e2
即当tÎ-1,1时,e2t -2t+1£e2-1,
所以当aÎ-1,1时,e2a -2a+1≤e2-1且e-2a+2a+1≤e2-1,
即 f 2- f 0 £e2-1且 f -2- f 0 £e2-1,
即对任意的x,x Î-2,2,都有 f x - f x ≤e2-1.
1 2 1 2
(三) 含单参数的函数在闭区间上的最值问题
含单参数的函数的最值一般不通过比值求解,而是先讨论函数的单调性,再根据单调性求出最值.含参函数在
区间上的最值通常有两类:一是动极值点定区间,二是定极值点动区间,这两类问题一般根据区间与极值点的
位置关系来分类讨论.
【例3】(2024届广东省东莞中学、广州二中等高三下学期六校联考)已知函数
1
f x x2+1-ax-alnxaÎR.
2
(1)求函数 f x的单调区间;
(2)当a>0时,求函数 f x在区间1,e上的最大值.
【解析】(1) f x的定义域为0,+¥ ,a x2+1-ax-a x+1x-a
求导数,得 f¢xx+1-a- ,
x x x
若a£0,则 f¢x>0,此时 f x在0,+¥上单调递增,
若a>0,则由 f¢x0得xa,当0a时, f¢x>0 , f x在a,+¥上单调递增,
综上,当a£0, f x的增区间为0,+¥,无减区间,
若a>0, f x减区间为0,a,增区间为a,+¥ .
(2)由(1)知,当00,得a< e+1- ,
2 2 2 2e
1 3 1
若10,则12,
所以x2是函数 f x的一个极值点,
所以a1;
1+lnx-1
(2)由(1)得 f x ,定义域为1,+¥,
x-1
1+lnx-1
所以问题等价于m£x× 在2,+¥上恒成立,
x-1
1+lnx-1 x-1-lnx-1
构造函数gxx× ,x³2,则g¢x ,
x-1
x-12
x-2
令hxx-1-lnx-1,x³2,则h¢x ,
x-1
所以x³2时,h¢x³0,hx在2,+¥递增,
所以hx³h21>0,所以g¢x>0,
所以gx在2,+¥递增,
所以gx g22,所以m£2,
min
所以实数m的最大值为2;
2 1+lnx-1 2
(3)由(2)得:x³2时, f x³ ,即 ³ ,
x x-1 x
2 2
整理得lnx-1³1- >1- ,
x x-1
k+1 2 2k k+1 2k
令x-1 ,则1- 1- ,即ln >1- ,
k x-1 k+1 k k+11 2 2 3
k1时,1-2´ 0时,若 fx³0,求b的最小值.
【解析】 (1)当b0时, f xex-ax, f¢xex-a,当a£0时, f¢xex-a>0, f x在R上单调
递增;当a>0时,令 f¢x0有xlna,当xÎ-¥,lna时, f¢x<0, f x单调递减,当xÎlna,+¥
时, f¢x>0, f x单调递增.
(2)当a>0时,由(1)若 fx³0,则 f lna³0有解即可,即a-alna+b ³ 0有解,即b ³ alna - a 有解,
设gaalna-a,则g¢alna,故当01时,g¢a>0,
ga单调递增.故g aln1-1 -1,故当b³alna-a -1.故b的最小值为-1
min min
(六) 根据 f x³a恒成立,求整数a的最大值
根据 f x³a恒成立,求整数a的最大值,通常情况是 f x有最小值,但无法求出,这种情况下一般设出函数
的极值点,把最小值转化为关于极值点的式子,根据极值所在范围,确定最小值的大致范围,由此确定整数a的
最大值.
【例6】(2024届山东省日照市高三下学期三模)已知函数 f xalnx-x2+a-2x,
gxx-2ex-x2-4x+m,aÎR.
(1)讨论函数 f x的单调性;(2)当a-1时,对"xÎ0,1, f x>gx,求正整数m的最大值.
a x+1-2x+a
【解析】(1)函数 f x的定义域为0,+¥,求导得 f¢x -2x+a-2 ,
x x
①当a£0时,有 f¢x<0,此时函数 f x在区间0,+¥上单调递减;
æ aö æ aö
②当a>0时,当xÎç0, ÷时, f¢x>0,此时函数 f x在区间ç0, ÷上单调递增;
è 2ø è 2ø
æa ö æa ö
当xÎç ,+¥÷时, f¢x<0,此时函数 f x在区间ç ,+¥÷上单调递减.
è2 ø è2 ø
所以当a£0时,函数 f x在区间0,+¥上单调递减;
æ aö æa ö
当a>0时,函数 f x在区间ç0, ÷上单调递增,在区间ç ,+¥÷上单调递减.
è 2ø è2 ø
(2)当a-1,xÎ0,1时, f x>gx恒成立,等价于m<-x+2ex-lnx+x恒成立,
æ 1ö
设hx-x+2ex-lnx+x,xÎ0,1,则h¢x1-x çex- ÷,
è xø
当0< x<1时,有1-x>0,
1 æ1ö
函数uxex- 在0,1上单调递增,且uç ÷ e-2<0,u1e-1>0,
x è2ø
æ1 ö 1
则存在唯一的x Îç ,1÷,使得ux 0,即ex0 ,
0 è2 ø 0 x
0
当xÎ0,x 时,ux<0,h¢x<0;当xÎx ,1时,ux>0,h¢x>0,
0 0
函数hx在0,x 上单调递减,在x ,1上单调递增,
0 0
1 2
hx hx -x +2ex0 -lnx +x -x +2 +2x -1+ +2x
min 0 0 0 0 0 x 0 x 0
0 0
2 2 2
设y-1+ +2x,则当xÎ0,1时,y¢- +2<0,函数y-1+ +2x在0,1上单调递减,
x x2 x
æ1 ö
又因为x Îç ,1÷,所以hx Î3,4 .
0 è2 ø 0
所以正整数m的最大值是3.
【例1】(2024届湖南省岳阳市汨罗市高三下学期5月月考)函数 f xlnx,gxx2-x-m+2.
(1)若me,求函数Fx f x-gx的最大值;(2)若 f x+gx£x2-x-2ex在xÎ(0,2]恒成立,求实数m的取值范围.
【解析】(1)因为Fxlnx-x2+x+e-2,
1 (2x+1)(x-1)
可知F(x)的定义域为0,+¥,且F¢(x) -2x+1- ,
x x
由F¢(x)>0,解得01.
可知F(x)在(0,1)内单调递增,在(1,+¥)内单调递减,
所以函数Fx f x-gx的最大值为F1e-2.
(2)因为 f(x)+g(x)£x2-(x-2)ex在xÎ(0,2]恒成立,
等价于m³(x-2)ex+lnx-x+2在xÎ(0,2]恒成立.
设h(x)(x-2)ex+lnx-x+2,xÎ(0,2],
1 æ 1ö
则h¢(x)(x-1)ex+ -1x-1 çex- ÷,
x è xø
1 1
当x>1时,则x-1>0,且ex >e, <1,可得ex- >e-1>0,
x x
所以h¢(x)>0;
当00,
x x2
æ1ö
可知u(x)在(0,1)递增,且uç ÷ e-2 0,u(1)e-1 0.
è2ø
æ1 ö
则$x Îç ,1÷,使得ux 0.
0 è2 ø 0
当xÎ0,x 时,u(x)<0;当xÎx ,1时,u(x)>0.
0 0
当xÎ0,x 时,h¢(x)>0;当xÎx ,1时,h¢(x)<0.
0 0
可知函数h(x)在0,x 递增,在x ,1递减,在(1,2)递增.
0 0
1 1
由ux ex0 - 0,得ex0 ,且lnx -x .
0 x x 0 0
0 0
1 æ 1 ö
可得hx x -2ex 0 +lnx -x +2x -2 -2x +23-2çx + ÷,
0 0 0 0 0 x 0 è 0 x ø
0 0
æ1 ö
且x Îç ,1÷,则hx <0,
0 è2 ø 0又因为h(2)ln2>0,可知当xÎ(0,2]时,h(x) h2ln2,
max
所以m的取值范围是[ln2,+¥).
【例2】(2024届云南省昆明市第一中学高三考前适应性训练)已知函数 f xxa-lnx,a>0.
(1)求 f x的最小值ga;
1
(2)证明:ga£a+ -1.
a
【解析】(1) f(x)的定义域为0,+¥, f¢xaxa-1- 1 axa -1 ,
x x
1
令ax 0 a -10解得x 0 æ ç è 1 a ö ÷ ø a,又因为当a>0时,yaxa -1为增函数,
故当xÎ0,x 时, f¢x<0,则 f x在0,x 上单调递减;
0 0
当xÎx ,+¥时, f¢x>0,则 f x在x ,+¥上单调递增;
0 0
1 1 1 1+lna 1+lna
故 fx fx xa -lnx - ln ,故ga .
min 0 0 0 a a a a a
1+lna -lna
(2)ga ,a>0,则g¢a ,
a a2
故当aÎ0,1时,g¢a>0,则ga在0,1单调递增;
当aÎ1,+¥时,g¢a<0,则ga在1,+¥单调递减;
故ga g11.
max
1 1 1
又因为a+ ³2 a´ 2,所以a+ -1³1(当且仅当a1时,取“”),
a a a
1
所以ga£a+ -1.
a
【例3】(2024届河南省信阳市高级中学高三下学期三模)已知函数 f xax-ln1-xaÎR.
(1)若 fx³0恒成立,求a的值;
(2)若 f x有两个不同的零点x,x ,且 x -x >e-1,求a的取值范围.
1 2 2 1
1 -ax+a+1
【解析】(1) f¢xa+ (x<1),
1-x 1-x
①当a³0时, f(-1)-a-ln2<0,不符合题意.
1
②当a<0时,令 f¢(x)0,解得x 1+ ,
aæ 1ö æ 1ö
当xÎç-¥,1+ ÷时, f¢(x)<0, f(x)在区间ç-¥,1+ ÷上单调递减,
è aø è aø
æ 1 ö æ 1 ö
当xÎç1+ ,1÷时, f¢(x)>0, f(x)在区间ç1+ ,1÷上单调递增,
è a ø è a ø
1 æ 1ö
所以当x 1+ 时, f(x)取得最小值 f ç1+ ÷a+1+ln-a;
a è aø
若 fx³0恒成立,则a+1+ln-a³0,
1 x+1
设jxx+1+ln-x(x<0),则j¢x1+ ,
x x
当xÎ-¥,-1时,j¢x>0,jx在区间-¥,-1上单调递增,
当xÎ(-1,0)时,j¢x<0,jx在区间-1,0上单调递减,
所以jx£j-10,即a+1+ln-a³0的解为a-1.
所以a-1.
(2)当a³0时, f¢(x)>0, f(x)在区间(-¥,1)上单调递增,
所以 f(x)至多有一个零点,不符合题意;
当a<0时,因为 f(0)0,不妨设x 0,
1
若00).
(1)求 f x在区间-1,1上的最大值与最小值;
(2)当a³1时,求证: f x³lnx+x+1.
【解析】(1)解: f¢xeax1+ax(x>0)(a>0),
1
令 f¢x0,则x- ,
a
1
当01时,-1<- <1,则当xÎ
ê
-1,- ÷时, f¢x<0, f x在区间
ê
-1,- ÷上单调递减;
a ë aø ë aø
当xÎ æ ç- 1 ,1
ú
ù 时, f¢x>0, f x在区间 æ ç- 1 ,1
ú
ù 上单调递增,
è a û è a û
æ 1ö 1
所以 f x f ç- ÷- ,
min è aø ae
而 f -1-e-a <0, f 1ea >0.所以 f x f 1ea
max
综上所述,当01时,所以 f x - , f x ea.
min ae max
(2)方法一:隐零点法
因为x>0,a³1,所以xeax ³xex,欲证xeax ³lnx+x+1,只需证明xex ³lnx+x+1,
æ 1ö
设gxxex-lnx-x-1,(x>0),g¢xx+1 çex- ÷,
è xø
1
令fxex- ,易知fx在0,+¥上单调递增,
x
æ1ö
而fç ÷ e-2<0,f1e-1>0,
è2ø
æ1 ö
所以由零点的存在性定理可知,存在唯一的x Îç ,1÷使得fx 0,
0 è2 ø 0
1 1
即ex0 - 0,因此ex0 ,x -lnx ,
x x 0 0
0 0
当xÎ0,x 时,f¢x<0,g¢x<0,gx在0,x 上单调递减;
0 0
当xÎx ,+¥时,f¢x>0,g¢x>0,gx在x ,+¥上单调递增;
0 0
1
所以gx gx ex0x -lnx -x -1 x --lnx -x -10
min 0 0 0 0 x 0 0 0
0
所以gx³0,因此 f x³lnx+x+1.
方法二:(同构)
因为x>0,a³1,所以xeax ³xex,欲证xeax ³lnx+x+1,只需证明xex ³lnx+x+1,
只需证明xex elnxex exlnx+x ³lnx+x+1,
因此构造函数hxex-x-1(xÎR),
h¢xex-1,
当xÎ-¥,0时,h¢x<0,hx在-¥,0上单调递减;当xÎ0,+¥时,h¢x>0,hx在0,+¥上单调递增:
所以hx³h00,所以ex ³x+1,
所以xex ³lnx+x+1,
因此 f x³lnx+x+1.
【例5】(2024届江苏省宿迁市高三下学期三模)已知函数 f(x)ln(x-a)+ 9a-4x(a>0).
(1)若曲线y f(x)在x2处的切线的方程为x+yb,求实数b的值;
(2)若函数 f(x)≤lna+2a恒成立,求a的取值范围.
9a
【解析】(1)因为 f(x)ln(x-a)+ 9a-4x(a>0),函数的定义域为(a, ],
4
1 2
所以 f¢(x) - ,
x-a 9a-4x
由曲线y f(x)在x2处的切线的方程为x+yb,得 f¢(2)-1,
1 2
所以 f¢(2) - -1,
2-a 9a-8
1 2 8 1 9
设h(a) - ( 0,
2-a 9a-8 9 (a-2)2 (9a-8) 9a-8
8
所以函数h(a)是( ,2)上的递增函数,又h(1)-1,
9
1 2
所以方程 - -1有唯一解a1,
2-a 9a-8
所以 f(x)ln(x-1)+ 9-4x, f(2)1,
所以切点坐标为(2,1),代入直线方程x+yb得b3.
9a
(2) f(x)ln(x-a)+ 9a-4x(a>0),定义域为(a, ],
4
1 2 9a-4x -2(x-a)
f¢(x) - ,
x-a 9a-4x (x-a) 9a-4x
-2
设g(x) 9a-4x-2(x-a),所以g¢(x) -2<0,
9a-4x
9a 9a 5a
所以g(x)在(a, )上递减,又g(a) 5a >0,g( )- <0,
4 4 2
所以当xÎ(a,x )时,g(x)>0,即 f¢(x)>0,函数 f(x)递增,
0
9a
当xÎ(x , )时,g(x)<0,即 f¢(x)<0,函数 f(x)递减,
0 4
所以函数 f(x)的最大值 f (x) f(x ) ln(x -a)+ 9a-4x ,
max 0 0 0
又g(x ) 9a-4x -2(x -a)0,
0 0 0所以 9a-4x 2(x -a),
0 0
所以 f (x) f(x ) ln(x -a)+2(x -a),
max 0 0 0
因为 f(x)≤lna+2a恒成立,即ln(x -a)+2(x -a)≤lna+2a恒成立,
0 0
1
设h(x)lnx+2x,则h¢(x) +2>0,所以h(x)递增,
x
所以x -a≤a,即x £2a恒成立,
0 0
9a
因为g(x)在(a, )上递减,且g(x )0,
4 0
所以只需g(2a)≤0恒成立,即 a-2a≤0,
1
又a>0,所以a³ .
4
【例6】(山西省晋城5月第四次调研考)函数 f(x) x2+ax ex(aÎR).
(1)求 f x的单调区间;
f(x)
(2)若 f xx只有一个解,则当x>0时,求使 > kx-x2 ex-1 成立的最大整数k.
ex
【解析】(1)函数 f(x) x2+ax ex,定义域为R,则 f¢xé
ë
x2+a+2x+aù
û
ex,
因为ex >0,设g(x)x2+(a+2)x+a,D(a+2)2-4aa2+4>0,
-(a+2)- a2 +4 -(a+2)+ a2 +4
则令g(x)0得,x ,x ,
1 2 2 2
-(a+2)- a2 +4
当xÎ(-¥, )时,g(x)>0, f¢(x)>0, f(x)单调递增,
2
-(a+2)- a2 +4 -(a+2)+ a2 +4
当xÎ( , )时,g(x)<0, f¢(x)<0,
2 2
f(x)单调递减,
-(a+2)+ a2 +4
当xÎ( ,+¥)时,g(x)>0, f¢(x)>0, f(x)单调递增,
2
-(a+2)- a2 +4 -(a+2)+ a2 +4
综上所述: f(x)的单调递增区间为(-¥, ),( ,+¥),
2 2
-(a+2)- a2 +4 -(a+2)+ a2 +4
单调递减区间为( , );
2 2
(2)若 f(x)x即 x2+ax ex x只有一个解,
因为x0使方程成立,所以只有0是 f(x)x的解,
当x¹0时,(x+a)ex 1无非零解,
设h(x)(x+a)ex-1,则h'(x)(x+a+1)ex,当x<-a-1,h¢(x)<0,h(x)单调递减,当x>-a-1,h¢(x)>0,h(x)单调递增,
所以h(x)最小值为h(-a-1)-e-a-1-1<0,
当x®-¥时,h(x)®-1,当x®+¥时,h(x)®+¥,
故h(x)(x+a)ex-1定有零点,又因为(x+a)ex 1无非零解,有零点应还是0,
所以h(0)(0+a)e0-10,所以a1,则 f(x) x2+x ex,
f(x) > kx-x2 ex-1 ,得x2+x> kx-x2 ex-1 ,x>0,ex >1,
ex
x+1 x+1
所以 >k-x,得k < +x,
ex-1 ex-1
x+1 -1-xex ex ex-x-2
设F(x) +x,则F'(x) +1 ,
ex-1 ex-1 2 ex-1 2
令Gxex-x-2,则G¢xex-1,
因为x>0时,ex >1,所以G¢x>0,则Gx在0,+¥单调递增,
又G(1)e-3<0,G(2)e2-4>0
ex0 ex0 -x -2
所以$x Î(1,2)使得Gx 0,所以ex0 x +2,且F'x 0 0,
0 0 0 0 ex0 -1 2
x+1
当xÎ0,x 时,F¢x <0,F(x) +x单调递减,
0 0 ex-1
x+1
当xÎx ,+¥时,F¢(x)>0,F(x) +x单调递增,
0 ex-1
x +1
所以F(x)最小值Fx 0 +x ,且ex0 x +2,
0 ex0 -1 0 0
x +1
得Fx 0 +x x +1,
0 x +1 0 0
0
又因为x Î(1,2),所以x +1Î(2,3),因为k0,可得 f¢x在0,+¥单调递增,且 f¢10,
x2
故xÎ0,1时, f¢x<0, f x单调递减;xÎ1,+¥时, f¢x>0, f x单调递增,
则 f x的最小值为 f 11.
(2)若 f x在定义域内单调递增,则 f¢x³0在xÎ0,+¥上恒成立,
2
xex-1- x+a
f¢xex-1+ a - 2 a ,
x a x
2 a+2a-1
令gxxex-1- x+a,则g1 ³0,且g0a³0可知a³1,
a a
下证a³1时,gx³0,
2
由haxex-1- x+a关于a³1单调递增,则ha³xex-1-2x+1,
a
令Gxxex-1-2x+1,则G¢xx+1ex-1-2,
故G¢x在xÎ0,+¥上单调递增,且G¢10,
则Gx在0,1上单调递减,在1,+¥上单调递增,
所以Gx³G10,
综上所述,aÎ1,+¥时, f x在定义域0,+¥上单调递增.
a 2 a 2
(3) f¢xex-1+ - ,记nxex-1+ -
x a x a
a
n¢xex-1- ,00,
所以存在唯一x Î0,1,使得n¢x 0,
0 0故 f¢x在0,x 上单调递减,x ,+¥单调递增,其中x2ex0-1 a,
0 0 0
根据函数yx2ex-1在0,+¥上单调递增且aÎ0,1,得00, f x在0,+¥上存在零点,求实数a的取值范围.
【解析】(1)当a-1时, f xex-sinx,
所以不等式转化为ex-bx-sinx-1³0,在0,+¥上恒成立.
令hxex-bx-sinx-1,
所以h¢xex-cosx-b.
当xÎ[0,+¥)时,ex-cosx³0恒成立.
若b£0,则h¢x³0在0,+¥上恒成立,
hx在0,+¥上单调递增,
故hx³h00,符合题意;
若b >0,令函数mxex-cosx-b,则m¢xex +sinx³0在0,+¥上恒成立,
所以mx在0,+¥上单调递增,
因为m0-b<0,且当x®+¥时,mx®+¥.
所以$x Î0,+¥,mx ex0 -cosx -b0,
0 0 0
故当xÎ0,x 时,h¢xmx<0,hx单调递减,
0
当xÎx ,+¥时,h¢xmx>0,hx单调递增,
0
则h(x) hx =ex0 -bx -sinx -10,gx单调递减;
è4 4 ø è 4ø
æ πö æ5π 9π ö æ πö
当xÎç0, ÷,xÎç +2kπ, +2kπ÷时,sinçx- ÷<0,gx单调递增.
è 4ø è 4 4 ø è 4ø
5π
所以当x +2kπ,kÎN时,gx取得极小值,
4
5π 13π
即当x , ,×××时,gx取得极小值.
4 4
5π 13π 2 5π 13π
又因为sin sin ×××- , ,
0gç ÷>×××.
è4ø è 4 ø
所以gx£g æ ç πö ÷ 2 e - π 4,
è4ø 2
所以当xÎ0,+¥,- 2 e - 5 4 π £gx£ 2 e - π 4.
2 2
2 - 5π 1 2 - π
所以- e 4 £- £ e 4.
2 a 2
又因为a>0,
所以 5π 时, f x在0,+¥上存在零点,
a³ 2e4
é 5π ö
所以实数a的取值范围为ê 2e4 ,+¥÷.
ë ø
3.(2024届辽宁省凤城市第一中学高三下学期期初考)已知函数 f xxex-1-lnx-x.
(1)求函数 f x的最小值;
1
(2)求证:eé ë f x+xù û >ex-e-1lnx- .
2
1 æ 1ö
【解析】(1)因为函数 f xxex-1-lnx-x,所以 f¢xx+1ex-1- -1x+1 çex-1- ÷,
x è xø
1 1
记hxex-1- ,x>0,h¢xex-1+ >0,
x x2
所以hx在0,+¥上单调递增,且h10,
所以当01时,hx>0,即 f¢x>0,所以 f x在1,+¥单调递增,且 f¢10,
所以 f x f 10.
min
1
(2)要证eéf x+xù>ex-e-1lnx- ,
ë û
2
1
只需证明:x-1ex-lnx+ >0对于x>0恒成立,
21 1
令gxx-1ex-lnx+ ,则g¢xxex- x>0,
2 x
1
当x>0时,令m(x)g¢(x)xex- ,
x
1
则m¢(x)(x+1)ex+ >0,m(x)在(0,+¥)上单调递增,
x2
1
即g¢xxex- 在(0,+¥)上为增函数,
x
é 2ù
又因为g¢ æ ç 2ö ÷ 2 e 2 3 - 3 2 êe 2 3 - æ ç 27ö ÷ 3ú<0,g¢1e-1>0,
è3ø 3 2 3ê è 8 ø ú
ë û
æ2 ö 1 x2ex0 -1
所以存在x Îç ,1÷使得g¢x 0,由g¢x x ex0 - 0 0,
0 è3 ø 0 0 0 x x
0 0
1 1
得x2ex0 1即ex0 即ex0 即-2lnx x ,
0 x2 x2 0 0
0 0
1
所以当xÎ0,x 时,g¢xxex- <0,gx单调递减,
0 x
1
当xÎx ,+¥时,g¢xxex- >0,gx单调递增,
0 x
1 x -1 x 1 x3+x2+2x -2
所以gx gx x -1ex0 -lnx + 0 + 0 + 0 0 0 ,
min 0 0 0 2 x2 2 2 2x2
0 0
令jxx3+x2+2x-2 æ ç 2 0,
è3 ø è 3ø 3
æ2 ö æ2ö 2
所以jx在ç ,1÷上单调递增,所以jx >jç ÷ >0,
è3 ø 0 è3ø 27
jx
1
所以gx³gx 0 >0,所以x-1ex-lnx+ >0,
0 2x2 2
0
1
即eéf x+xù>ex-e-1lnx- .
ë û
2
ax
4.(2024届河北省高三学生全过程纵向评价六)已知函数 f x ,gxsinx+cosx.
ex
(1)当a1时,求 f x的极值;
(2)当xÎ0,π时, f x£gx恒成立,求a的取值范围.
x 1-x
【解析】(1)当a1时 f x ,所以 f¢x ,
ex ex
所以当x<1时 f¢x>0,当x>1时 f¢x<0,
所以 f x在-¥,1上单调递增,在1,+¥上单调递减,
1
所以 f x在x1处取得极大值,即 f x f 1 ,无极小值.
极大值 e(2)因为当xÎ0,π时, f x£gx恒成立,
ax
即当xÎ0,π时, £sinx+cosx恒成立,
ex
即exsinx+cosx-ax³0在0,π上恒成立,
3π 3π
当x 时- a³0,解得a£0,
4 4
设hxexsinx+cosx-ax,xÎ0,π,
则h¢xexsinx+cosx+excosx-sinx-a2excosx-a,
æ πö
令mxh¢x2excosx-a,则m¢x2excosx-sinx2 2excosçx+ ÷,
è 4ø
æ πö
当xÎç0, ÷时m¢x>0,则h¢x单调递增,
è 4ø
æπ ö
当xÎç ,π÷时m¢x<0,则h¢x单调递减,
è4 ø
æπö π
因为a£0,h¢02-a>0,h¢ ç ÷ 2e4 -a>0,h¢π-2eπ-a,
è4ø
当-2eπ-a³0,即a£-2eπ时h¢x³0在0,π上恒成立,
所以hx在0,π上单调递增,
所以hx h01>0,所以hx³0恒成立,
min
æπ ö
当-2eπ 0,hx单调递增;
0
当xÎx ,π时h¢x<0,hx单调递减;
0
ìïf 0³0 ì1³0 eπ
所以í ,则í ,解得-2eπ 0,当xÎç- ,+¥÷时, f¢x<0,
è 2ø è 2 ø
æ 1ö æ 1 ö
故 f x的单调递增区间为ç-1,- ÷,单调递减区间为ç- ,+¥÷.
è 2ø è 2 ø
1
(2)由 f xax+lnx+1,xÎ-1,+¥,得 f¢xa+ ,
x+1
若a³0,则显然 f 22a+ln3>0,不符合题意,
a+1
若a<0,令 f¢x0,解得x- >-1,
a
æ a+1ö
则当xÎç-1,- ÷时, f¢x>0, f x单调递增,
è a ø
æ a+1 ö
当xÎç- ,+¥÷时, f¢x<0, f x单调递减,
è a ø
æ a+1ö
f x f ç- ÷-a-1-ln-a,
max è a ø
则-a-1-ln-a£0,即a+1+ln-a³0,
1 a+1
令gaa+1+ln-a,则g¢a1+ ,
a a
当xÎ-¥,-1时,g¢a>0,ga单调递增,
当xÎ-1,0时,g¢a<0,ga单调递减,
所以ga g-10,当满足ga³0时,a-1,
max
所以a的取值集合为-1
.
6.(2024届重庆市育才中学教育集团高三下学期5月模拟)已知函数 f xax-ex+1.
(1)求函数y f x的最值;
(2)若a3,设曲线y f x与x轴正半轴的交点为P,该曲线在点P处的切线方程为ygx,求证:
"xÎR, f x£gx;
【解析】(1)因为函数 f xax-ex+1,定义域为R.
所以 f¢xa-ex,当a£0时, f¢x<0,函数 f x单调递减,此时,函数无最值.
当a>0时, f¢x0,xlna,
则 f¢x>0,xlna, f x在lna,+¥单调递减,
所以函数 f x在xlna处取得最大值,最大值为 f lnaalna-a+1,无最小值.
(2)因为a3,所以函数 f x3x-ex +1,则 f¢x3-ex
曲线y f x与x轴正半轴的交点为Px ,0,
0
则切线斜率为 f¢x 3-ex 0,
0
切线方程为:y 3-ex0 x-x .
0
则gx 3-ex0 x-x ,
0
令Fx f x-gx3x-ex+1- 3-ex0 x-x
0
F¢x3-ex- 3-ex0 ex0 -ex,
所以Fx在-¥,x 单调递增,x,+¥单调递减,
0 0
Fx的最大值为Fx 0,
0
所以Fx f x-gx£0,
即"xÎR, f x£gx .
7.(2024届河北省秦皇岛市青龙县第一中学高三下学期5月模拟)已知m>0,函数 f xex-2x+m的图
象在点 0, f 0 处的切线与两坐标轴围成的三角形的面积为2.
(1)求m的值;
(2)求 f x在-1,2上的值域.
【解析】(1)因为 f xex-2x+m,所以 f¢xex-2,则k f¢0-1.
因为 f 01+m,所以切点坐标为0,1+m,所以 f x的图象在点 0, f 0 处的切线方程为y -x+1+m.
1
令y0,得x1+m,又m>0,所以 ´1+m´1+m2,所以m1.
2
(2)由(1)可知 f¢xex-2,令 f¢x>0,解得x>ln2,所以 f x在ln2,2上单调递增.
令 f¢x<0,解得x1-2x恒成立,
即xlnx-ax+a>1-2x,
xlnx+2x-1
即a< 在xÎ1,+¥上恒成立,
x-1
xlnx+2x-1
令gx ,xÎ1,+¥,
x-1
lnx+3x-1-xlnx+2x-1 x-2-lnx
则g¢x x>1 ,
x-12 x-12
1 x-1
令hxx-2-lnxx>1,则h¢x1- >0x>1,
x x
所以函数hx在1,+¥上单调递增,
又h31-ln3<0,h42-ln4>0,
所以存在x Î3,4使得hx 0,即x -2lnx ,
0 0 0 0
当1x 时,hx>0,即g¢x>0,
0所以函数gx在1,x 上单调递减,在x ,+¥上单调递增,
0 0
x lnx +2x -1 x x -2+2x -1
所以gx gx 0 0 0 0 0 0 x +1,
min 0 x -1 x -1 0
0 0
所以a< x +1,
0
又因x Î3,4,则x +1Î4,5,
0 0
所以正整数a的最大值为4.
9.(2024届陕西省西北工业大学附属中学高三适应性训练)已知函数 f(x)2sinx-ax
(1)若函数在[0,π]内点A处的切线斜率为-a(a¹0),求点 A的坐标;
é πù
(2)①当 a1时,求 g(x) f(x)-ln(x+1)在
ê
0,
ú
上的最小值;
ë 6û
1 1 1 n+1
②证明:sin +sin +
L
+sin >ln nÎN,n³2.
2 3 n 2
【解析】(1)设点Ax , f x ,x Î[0,π].
0 0 0
由于 f¢(x)2cosx-a,则 f¢x 2cosx -a-a,得cosx 0,
0 0 0
π æπö π æπ π ö
则 x ,且 f ç ÷2- a,所以点 A的坐标为ç ,2- a÷.
0 2 è2ø 2 è2 2 ø
(2)① g(x)2sinx-x-ln(x+1),
1 1
则 g¢(x)2cosx-1- ,记h(x)2cosx-1- ,
x+1 x+1
1
则h¢(x)-2sinx+
(x+1)2
æπö 1
é πù h¢(0)1>0,h¢ ç ÷ -1<0
易知h¢(x)在 ê 0, ú 上单调递减,且 è6ø æπ ö 2 ,
ë 6û ç +1÷
è6 ø
æ πö 1
\$x
0
Îç
è
0,
6ø
÷,h¢x
0
0,即 -2sinx
0
+
x +12
0,
0
所以,当 xÎ0,x 时, h¢(x)>0,hx在0,x 上单调递增;
0 0
æ πö æ πö
当 xÎçx , ÷时, h¢(x)<0,hx在çx , ÷上单调递减.
è 0 6ø è 0 6ø
æπö 1 1 5
h00,hç ÷ 3-1- > 3-1- 3- >0
因为 è6ø π 1 3 ,
+1 +1
6 2
æ πö é πù
所以 xÎç0, ÷时,hx>0, gx在
ê
0,
ú
单调递增,
è 6ø ë 6û所以,当 x0时, gx取得最小值 g00.
æ πö
②由①可知 xÎç0, ÷,时 g(x)>0恒成立,即2sinx>ln(x+1)+x恒成立.
è 6ø
1 x
设 s(x)x-ln(x+1),则 s¢(x)1- ,
x+1 x+1
æ πö æ πö
当 xÎç0, ÷时, s¢(x)>0, s(x)在ç0, ÷上单调递增,
è 6ø è 6ø
所以 s(x)>s(0)0,所以 x>ln(x+1),
又 2sinx>ln(x+1)+x>2ln(x+1),所以sinx>ln(x+1),
1 1 æ1 ö
取 x nÎN,n³2,则sin >lnç +1÷ln(n+1)-lnn,
n n èn ø
1 1 1
\sin +sin + +sin >ln3-ln2+ln4-ln3+ +ln(n+1)-lnn
L L
2 3 n
n+1
ln(n+1)-ln2ln ,得证.
2
1
10.(2024届四川省南充高中高三下学期月考)已知函数 f(x)1- -alnx,aÎR.
x
(1)讨论 f(x)的单调性;
(2)当 a>0时,函数 f(x)与函数 g(x)a(1-e1-x)-x+1有相同的最大值,求 a的值.
1 a 1-ax
【解析】(1) f¢x - ,x>0.
x2 x x2
1 1
①当 a>0时,当 00,f(x)单调递增;当 x> 时, f¢x<0,f(x)单调递减.
a a
②当 a£0时, f(x)在(0,+¥)单调递增. .
1 1
综上所述,当 a>0时, f(x)在(0, )单调递增,在( ,+¥)单调递减.
a a
当 a£0时, f(x)在(0,+¥)单调递增.
1
(2)由(1)得当 a>0时,当 x 时, f(x)取得最大值1-a+alna,
a
g¢xae1-x-1,易知 g¢(x)单调递减 ,令 g¢(x)0, x1+alna,
当 x<1+alna时, g¢x>0, g(x)单调递增; 当 x>1+alna时, g¢x<0,单 g(x)调递减,所以,当
x1+alna时, g(x)取得最大值1-a+alna
依题意,有1-a+alnaa-1-lna,所以 2a-2-lna-alna0
1 1
令 h(x)2x-2-lnx-xlnx (x>0) 则 h¢x2- -lnx+11- -lnx.
x x
1
由 f(x)的单调性可知,当 a1时, f(x)1- -lnx.在 x1时取得最大值0,即 f(x)£0,从而可得
x1
h¢x1- -lnx£0,因此 h(x)在(0,+¥)上单调递减,又 h(1)0,
x
所以 2a-2-lna-alna0, a1.
11.(2024届山东省菏泽市高三下学期二模)已知函数 f xlnx+m的图象与 x轴交于点 P,且在 P处
的切线方程为 ygx,g11,记 hx2f x- 1+4x+1.(参考数据:e3 »20.09).
(1)求 gx的解析式;
(2)求hx的单调区间和最大值.
1
【解析】(1)由题意 f xlnx+m与 x轴的交点 P1-m,0,又 f¢x ,
x+m
1
\在点 P处的切线的斜率 k 1,
1-m+m
\在点 P处的切线方程为 gxx-1+m,
Q
g11,\m1,即切线方程为 gxx
æ 1ö
(2)由(1)知 f xlnx+1,所以hx2lnx+1- 1+4x+1çx³- ÷,
è 4ø
2 1+4x-x-1
2 2
\h¢x - ,
x+1 1+4x x+1 1+4x
令h¢x0得 x 0,x 2,x,h¢x,hx的变化情况列表如下,
1 2
1 æ 1 ö
x - ç- ,0÷ 0 0,2 2 2,+¥
4 è 4 ø
h¢x - + -
hx 减函数 极小值 增函数 极大值 减函数
æ 1 ö
所以hx的单调增区间为0,2,单调减区间为ç- ,0÷和2,+¥,
è 4 ø
æ 1ö 3
h(x) h22ln3-2,又hç- ÷2ln +12ln3-2ln4+1,
极大值 è 4ø 4
æ 1ö e3 20.09 æ 1ö
hç- ÷-hx 3-2ln4ln >ln >0,\hç- ÷>hx ,
è 4ø 极大值 16 16 è 4ø 极大值
3
\hx的最大值为2ln +1.
4
1
12.(2024届湖北省武昌实验中学高三下学期5月高考适应性考试)已知函数 f xlnx- ax2aÎR.
2(1)当 a1时,求 f x的最大值;
(2)讨论函数 f x在区间 é
ë
1,e2ù
û
上零点的个数.
【解析】(1) f x的定义域是0,+¥,
1 1 1-ax2
Q f xlnx- ax2aÎR,\f¢x -ax ,
2 x x
1-x2
当 a1时, f¢x 0,得 x±1.
x
x 0
Q >
\当 xÎ0,1时, f¢x>0,函数 f x单调递增,
当 xÎ1,+¥时, f¢x<0,函数 f x单调递减
1
\当 x1时,函数 f x取最大值,最大值为 f 1- ;
2
2lnx
(2)由 f x0,得 a ,
x2
2lnx 2-4lnx
令 gx ,则 g¢x ,
x2 x3
由 g¢x>0得1< x< e,
由 g¢x<0,得 e 时, f x在 é1,e2ù上没有零点.
ë û
e
13.(2024届安徽省鼎尖名校联盟高三下学期5月联考)已知函数 f x2x-1ex-ax2.
(1)求曲线 y f x在 x0处的切线方程;
(2)若 ae2,求函数 f x在1,3上的最值.
【解析】(1)由函数 f x2x-1ex-ax2,可得 f¢x2xex-2ax2x ex-a ,
可得 f¢00,且 f 0-2,所以切线的斜率为 k 0,切点为0,-2,
则所求切线方程为y=-2.
(2)由(1),当 ae2时,可得 f¢x2x ex-e2 ,xÎ1,3,
当 xÎ1,2时, f¢x<0,函数 f x在1,2上单调递减,
当 xÎ2,3时, f¢x>0,函数 f x在2,3上单调递增,
而 f 1-e2, f 2-2e2, f 34e3-9e2,
故所求最大值为4e3-9e2,最小值为 -2e2.
14.(2024届湖北省武汉市华中师范大学附属中学高三五月适应性考试)已知函数 f x xeax(x>0).
(1)求函数 f x的单调区间;
(2)若函数 f x有最大值 1 ,求实数 a的值.
2
1 1+2ax
【解析】(1) f¢x ×eax+a xeax eax(x>0)
2 x 2 x
1°当 a³0时 f¢x>0,\f x在区间0,+¥上单调递增。
æ 1 ö
2°当 a<0时, xÎç0,- ÷时, f¢x>0,\f x单调递增
è 2aø
æ 1 ö
xÎç- ,+¥÷时, f¢x<0,\f x单调递减
è 2a ø
综上,当 a³0时, f x的增区间是0,+¥,
æ 1 ö æ 1 ö
当 a<0时, f x的增区间是ç0,- ÷,减区间是ç- ,+¥÷
è 2aø è 2a ø
(2)由(1)知当 a³0时, f x无最大值。当 a<0时, f x f æ ç- 1 ö ÷ - 1 e - 1 2 1 ,平方有 - 1 1 ,
max è 2aø 2a 2 2ae 4
2 2
解得 a- ,\a- .
e e
1
15.(2024届四川省南充市高三三诊)已知函数 f x x2-sinx+ax.
2
(1)当 a1时,求 f x的最小值;
(2)①求证: f x有且仅有一个极值点;
1
②当 aÎ-1-π,1时,设 f x的极值点为 x ,若 gx- x2+2sinx-2x.求证: f x ³ gx
0 2 0 0
【解析】(1) f¢(x)x-cosx+a,令 f¢(x)h(x),
1
当 a1时, f x x2-sinx+x,h(x)x-cosx+1,
2
Q
h¢(x)1+sinx³0,故 h(x)在 R上单调递增,又 h(0)0,
\xÎ(-¥,0), f¢(x)h(x)<0, f(x)在-¥,0上单调递减,
xÎ(0,+¥), f¢(x)h(x)>0, f(x)在0,+¥上单调递增,
\f(x)的最小值为 f(0)0.
(2)由(1)知, h(x) f¢(x)x-cosx+a,
Q
h¢(x)1+sinx³0,故 h(x)在 R上单调递增,即 f¢(x)在 R上单调递增,
又 f¢(-2-a)-2-cos(2+a)<0, f¢(2-a)2-cos(2-a)>0,
\f¢(-2-a)× f¢(2-a)<0,
\f¢(x)存在唯一的变号零点 x ,
0
即 f(x)有且仅有一个极值点 x .
0
②由①知: f(x)有且仅有一个极值点 x 且 f¢x x -cosx +a0,则 acosx -x
0 0 0 0 0 0
当 aÎ[-1-π,1]时, f¢(0)-1+a£0, f¢(π)π+1+a³0,
由①知:0£x £π,要证 f(x )³ g(x ),
0 0 0
1 æ 1 ö
只需证: Fx f x -gx x2-sinx +ax -ç- x2+2sinx -2x ÷³0,
0 0 0 2 0 0 0 è 2 0 0 0 ø
而 acosx -x ,那么 Fx 2x -3sinx +x cosx 0£x £π.
0 0 0 0 0 0 0 0
\F¢x 2-2cosx -x sinx ,
0 0 0 0令 Px F¢x ,则 P¢x sinx -x cosx ,
0 0 0 0 0 0
设 Sx P¢x ,则 S¢x x sinx ,又 x Î0,π,
0 0 0 0 0 0
所以 S¢x ³0,\Sx 在0,π上单调递增,即 P¢x 在0,π上单调递增,
0 0 0
又 P¢(0)0,\P¢x ³0,\Px 在0,π上单调递增,
0 0
即 F¢x 在0,π上单调递增,又 F¢(0)0,\F¢x ³0,
0 0
\Fx 在0,π上单调递增,\Fx ³F00,
0 0
综上所述, aÎ[-1-π,1]时, f x ³gx .
0 0
16.(2024届江苏省连云港市厉庄高级中学高三考前模拟)已知函数 f xax-1-log x( a>0,且
a
a¹1).
(1)若 ae,求函数 f x的最小值;
(2)若 a³2,证明: x| f x<1 Í æ ç 1 ,a ö ÷.
èa ø
1
【解析】(1)若 ae,则 f xex-1-log xex-1-lnx, xÎ0,+¥,所以 f¢xex-1- ,
e x
1 1 1
设 gxex-1- 则 g¢xex-1+ >0,得 f¢xex-1- 在0,+¥上为增函数.
x x2 x
又 f¢10,当01时 f¢x>0,
所以 f x在0,1上单调递减,在1,+¥上单调递增,
所以 f x在 x1处取得极小值即最小值.所以 f x的最小值为1.
1
(2)因为 f xax-1-log x, a³2, xÎ0,+¥,所以 f¢xax-1lna- ,
a xlna
1 1
设jxax-1lna- ,其中lna>0,得j¢xax-1ln2a+ >0,
xlna x2lna
所以 f¢x在0,+¥上为增函数,当 x®0时, f¢x®-¥,x®+¥时, f¢x®+¥,
所以存在 x Î0,+¥使得 f¢x 0,当0x 时 f¢x >0,
0 0 0 0 0 0
所以 f x在0,x 上单调递减,在x ,+¥上单调递增,且 f 11,
0 0
①当 ae时,由(1)知,由 f x³1,有 x| f x<1 ÆÍ æ ç 1 ,a ö ÷;
èa ø1 ln2a-1
②当 2£a1,得 f x在x ,+¥上单调递增,且 f x < f 11,
0 0 0
所以存在 x >x 使得 f x 1,要证 x| f x<1Í æ ç 1 ,a ö ÷,
1 0 1 èa ø
1
因为 <1, f x在x ,+¥上单调递增,只要证 a³x ,只要证 f a³ f x 1,
a 0 1 1
又当 2£ae时, f¢1lna- >0,由 f¢x在0,+¥上为增函数,
lna lna
所以 x <1,且 f x < f 11,所以存在x < x 使得 f x 1,
0 0 1 0 1
要证 x| f x<1Í æ ç 1 ,a ö ÷,因为 a >1, f x在0,x 上单调递减,
èa ø 0
1 æ1ö
且 x®0+时 f x®+¥,只要证 £x ,只要证 f ç ÷³ f x 1,
a 1 èaø 1
æ1ö 1 -1 1 1 -1 1 æ1ö
又 f ç èa ÷ ø aa -log a a aa +1,由 aa -1 >0 恒成立,故 f ç èa ÷ ø >1成立,
所以当 a>e时, x| f x<1Í æ ç 1 ,a ö ÷也成立,
èa ø
综上,当 a³2时, x| f x<1Í æ ç 1 ,a ö ÷成立.
èa ø