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文档信息

文档格式
docx
文档大小
6.324 MB
文档页数
19 页
上传时间
2026-04-14 07:30:24

文档内容

微专题 4 函数的极值、最值 [考情分析] 利用导数研究函数的极值、最值是重点考查内容,多以选择题、填空题压轴考查,或以解答 题的形式出现,难度中等;或者压轴解答题,属综合性问题,难度较大. 考点一 利用导数研究函数的极值 判断函数的极值点,主要有两点 (1)导函数f'(x)的变号零点,即为函数f(x)的极值点. (2)利用函数f(x)的单调性可得函数的极值点. 例1 (2024·新课标全国Ⅱ)已知函数f(x)=ex-ax-a3. (1)当a=1时,求曲线y=f(x)在点(1,f(1))处的切线方程; (2)若f(x)有极小值,且极小值小于0,求a的取值范围. 解 (1)当a=1时,则f(x)=ex-x-1, f'(x)=ex-1, 可得f(1)=e-2,f'(1)=e-1, 即切点坐标为(1,e-2), 切线斜率k=e-1, 所以切线方程为y-(e-2)=(e-1)(x-1), 即(e-1)x-y-1=0. (2)方法一 因为f(x)的定义域为R, 且f'(x)=ex-a, 若a≤0,则f'(x)>0对任意x∈R恒成立, 可知f(x)在R上单调递增, 无极值,不符合题意; 若a>0,令f'(x)>0,解得x>ln a, 令f'(x)<0,解得x0, 令g(a)=a2+ln a-1,a>0, 1 则g'(a)=2a+ >0, a可知g(a)在(0,+∞)上单调递增, 且g(1)=0, 不等式a2+ln a-1>0等价于g(a)>g(1), 解得a>1, 所以a的取值范围为(1,+∞). 方法二 因为f(x)的定义域为R, 且f'(x)=ex-a, 若f(x)有极小值, 则f'(x)=ex-a有零点, 令f'(x)=ex-a=0,可得ex=a, 可知y=ex与y=a有交点,则a>0, 令f'(x)>0,解得x>ln a; 令f'(x)<0,解得x0, 令g(a)=a2+ln a-1,a>0, 因为y=a2,y=ln a-1在(0,+∞)上均单调递增, 所以g(a)在(0,+∞)上单调递增, 且g(1)=0, 不等式a2+ln a-1>0等价于g(a)>g(1), 解得a>1, 所以a的取值范围为(1,+∞). [易错提醒] (1)不能忽略函数的定义域. (2)f'(x )=0是可导函数f(x)在x=x 处取得极值的必要不充分条件,即f'(x)的变号零点才是f(x)的极值点,所以 0 0 判断f(x)的极值点时,除了找f'(x)=0的实数根x 外,还需判断f(x)在x 左侧和右侧的单调性. 0 0 (3)函数的极小值不一定比极大值小. 跟踪演练1 (1)(多选)(2024·武汉统考)已知函数f(x)及其导函数f'(x)的部分图象如图所示,设函数g(x)= f(x) ,则g(x)( ) exA.在区间(a,b)上单调递减 B.在区间(a,b)上单调递增 C.在x=a时取极小值 D.在x=b时取极小值 答案 BC 解析 结合图象可知,当x0,当ab时,f(x)-f'(x)>0. f' (x)-f(x) g'(x)= ,因为ex>0, ex f' (x)-f(x) 故当x0,g(x)在区间(a,b)上单调递增; ex f' (x)-f(x) 当x>b时,g'(x)= <0,g(x)在区间(b,+∞)上单调递减,故g(x)在x=a处取得极小值,在x=b处 ex 取得极大值. (2)(2024·秦皇岛模拟)已知0是函数f(x)=x3+ax2+1的极大值点,则a的取值范围为( ) A.(-∞,0) B.(0,+∞) ( 2) ( 2 ) C. -∞,- D. - ,+∞ 3 3 答案 A 解析 因为f(x)=x3+ax2+1,所以f'(x)=3x2+2ax=x(3x+2a), 2a 令f'(x)=0,可得x=0或x=- , 3 2a 当- >0,即a<0时, 3 2a 令f'(x)>0,得x<0或x>- ; 3 2a 令f'(x)<0,得00时, 3 2a 令f'(x)>0,得x<- 或x>0; 3 2a 令f'(x)<0,得- 1),e是自然对数的底数. (1)当a=e,b=4时,求整数k的值,使得函数f(x)在区间(k,k+1)上存在零点; (2)若x∈[-1,1],且b=0,求f(x)的最小值和最大值. 解 (1)当a=e,b=4时,f(x)=ex+x2-x-4, ∴f'(x)=ex+2x-1,∴f'(0)=0, 当x>0时,ex>1, ∴f'(x)>0,故f(x)在(0,+∞)上单调递增, 同理f(x)在(-∞,0)上单调递减. f(-2)=e-2+2>0,f(-1)=e-1-2<0, f(0)=-3<0,f(1)=e-4<0,f(2)=e2-2>0, 故当x>2时,f(x)>0,当x<-2时,f(x)>0, 故当x>0时,函数f(x)的零点在(1,2)内, ∴k=1满足条件. 同理,当x<0时,函数f(x)的零点在(-2,-1)内,∴k=-2满足条件, 综上,k=1,-2.(2)由已知f(x)=ax+x2-xln a, f'(x)=axln a+2x-ln a=2x+(ax-1)ln a, ①当x>0时,由a>1,可知ax-1>0,ln a>0, ∴f'(x)>0; ②当x<0时,由a>1,可知ax-1<0,ln a>0, ∴f'(x)<0; ③当x=0时,f'(x)=0, ∴f(x)在[-1,0]上单调递减,在(0,1]上单调递增, ∴当x∈[-1,1]时,f(x) =f(0)=1,f(x) =max{f(-1),f(1)}. min max 1 因为f(1)=a+1-ln a,f(-1)= +1+ln a, a 1 则f(1)-f(-1)=a- -2ln a, a 1 设g(t)=t- -2ln t(t>0), t 1 2 (1 ) 2 ∵g'(t)=1+ - = -1 ≥0(当且仅当t=1时取等号), t2 t t ∴g(t)在(0,+∞)上单调递增,而g(1)=0, 1 ∴当t>1时,g(t)>0,即a>1时,a- -2ln a>0,∴f(1)>f(-1), a 即f(x) =f(1)=a+1-ln a. max 综上,f(x)的最小值为1,最大值为a+1-ln a. [易错提醒] (1)求函数最值时,不可想当然地认为极值就是最值,要通过比较大小才能下结论. (2)求函数无穷区间(或开区间)上的最值,不仅要研究其极值,还需研究单调性,结合单调性和极值情况, 画出函数图象,借助图象得到函数的最值. 跟踪演练2 (1)(2024·安徽省皖江名校联盟模拟)已知函数f(x)=(x-1)sin x+(x+1)cos x,当x∈[0,π]时, f(x)的最大值与最小值的和为 . (√2 ) 答案 -1 π-1 4 解析 f'(x)=sin x+(x-1)cos x+cos x-(x+1)sin x=x(cos x-sin x), [ π) 当x∈ 0, 时,f'(x)≥0,f(x)单调递增; 4 (π ] 当x∈ ,π 时,f'(x)<0,f(x)单调递减, 4 (π) √2π 所以f(x) =f = , max 4 4又f(0)=1,f(π)=-(π+1), 所以f(x) =-(π+1), min (√2 ) 故最大值与最小值的和为 -1 π-1. 4 { 1 - ,x<0, (2)(2024·浙江省金丽衢十二校联考)已知函数f(x)= x 若x 0,且x <00), t 1 1 t2-t-2 (t-2)(t+1) 则g'(t)= - = = , t+2 t2 t2 (t+2) t2 (t+2) 所以当t∈(0,2)时,g'(t)<0,函数g(t)单调递减; 当t∈(2,+∞)时,g'(t)>0,函数g(t)单调递增, 1 1 所以当t=2时,g(t)取得最小值,为g(2)=2ln 2+ ,即x -x 的最小值为2ln 2+ . 2 2 1 2 考点三 已知函数极值、最值求参数 1 例3 (1)(2024·南充模拟)已知函数f(x)=xex+m- x2-mx在区间[-1-m,1-m]上有且仅有两个极值点,则实数 2 m的取值范围为( ) ( 1) A. 1,2- B.(1,e) e ( 1] C. 1,2- D.(1,e] e答案 A 解析 f'(x)=ex+m(1+x)-x-m, 因为f(x)在区间[-1-m,1-m]上有且仅有两个极值点, 所以f'(x)在区间(-1-m,1-m)上有两个变号零点,即ex+m(1+x)=x+m在区间(-1-m,1-m)上有两个不等实数根. t 令t=x+m,则x=t-m,上式可化为m=t+1- ,其中t∈(-1,1). et t 令g(t)=t+1- ,t∈(-1,1), et 1-t et-1+t 则g'(t)=1- = . et et 令h(t)=et-1+t,则h'(t)=et+1>0,即h(t)为增函数, 又h(0)=0,所以当t∈(-1,0)时,g'(t)<0,g(t)单调递减; 当t∈(0,1)时,g'(t)>0,g(t)单调递增, 所以当t=0时,g(t)取得最小值, 1 因为g(0)=1,g(-1)=e,g(1)=2- , e ( 1) 所以m的取值范围为 1,2- . e 1 (2)若函数f(x)= x3+x2-2在区间(a-4,a)上存在最小值,则a的取值范围是 . 3 答案 [1,4) 1 解析 由f(x)= x3+x2-2得f'(x)=x2+2x=x(x+2), 3 所以当x<-2或x>0时,f'(x)>0,当-20, 即 1 (a-4) 3+(a-4) 2-2≥-2, 3解得1≤a<4, 所以实数a的取值范围为[1,4). [易错提醒] 方程、不等式恒成立,有解问题都可用分离参数法.分离参数时,等式或不等式两边符号变化 以及除数不能等于0,易忽视. 跟踪演练3 (1)(2024·赤峰模拟)已知函数f(x)=xln x-ax有极值-e,则a等于( ) A.1 B.2 C.e D.3 答案 B 解析 由题目条件可得,函数f(x)的定义域为(0,+∞),f'(x)=ln x+1-a. 令f'(x)>0,得x>ea-1; 令f'(x)<0,得00,x x = >0, 1 2 a 1 2 2a 1 且Δ=4-8a>0,解得00, a2 a a2 ( 1) 所以函数g(a)在 0, 上单调递增, 2(1) 则g(a)0,f(x)单调递增, 故f(x)存在极小值f(1)=2,故B正确; 1 1 对于C,x∈R,f(-x)=e-x+ =ex+ =f(x),故f(x)为偶函数,不符合题意; e-x ex { 2,x>1, 对于D,f(x)= 2x,-1≤x≤1,无极值,不符合题意. -2,x<-1, x 2.(2024·西安模拟)函数f(x)= 在[-3,3]上的最大值和最小值分别是( ) x2+1 6 6 2 2 A. ,- B. ,- 13 13 5 5 3 3 1 1 C. ,- D. ,- 10 10 2 2答案 D 1-x2 解析 f'(x)= ,x∈[-3,3], (x2+1) 2 令f'(x)>0,解得-10, 当x∈(-2,2)时,f'(x)<0, 所以f(x)在(-∞,-2),(2,+∞)上单调递增,在(-2,2)上单调递减. 所以函数f(x)在x=-2处取得极大值,在x=2处取得极小值,极小值为f(2)=-2e2. 4.已知函数f(x)=ln x+ax存在最大值0,则a的值为( ) 1 A.-2 B.- e C.1 D.e 答案 B 1 解析 因为f'(x)= +a,x>0, x 所以当a≥0时,f'(x)>0恒成立,故函数f(x)单调递增,不存在最大值; 1 当a<0时,令f'(x)=0,得x=- , a ( 1) 所以当x∈ 0,- 时,f'(x)>0,函数f(x)单调递增, a( 1 ) 当x∈ - ,+∞ 时,f'(x)<0,函数f(x)单调递减, a ( 1) ( 1) 1 所以f(x) =f - =ln - -1=0,解得a=- . max a a e 5.(2024·楚雄模拟)若a>b,则函数y=a(x-a)(x-b)2的图象可能是( ) 答案 B 解析 方法一 对比各个选项可知a≠0, 由三次函数图象与性质,可得x=a,x=b(a>b)是函数y=a(x-a)(x-b)2的零点. 令y'=a(x-b)2+2a(x-a)(x-b)=a(x-b)(3x-2a-b)=0, 2a+b 可知x =bb),且x ,x 都是函数y=a(x-a)(x-b)2的极值点,则x=b既是零点又是极值点,由 1 2 3 1 2 此可以排除A,D; 若a>0,则函数y=a(x-a)(x-b)2的图象先增后减再增, ( 2a+b) (2a+b ) 具体为y=a(x-a)(x-b)2在(-∞,b)上单调递增,在 b, 上单调递减,在 ,+∞ 上单调递增, 3 3 可知B符合; 若a<0,则函数y=a(x-a)(x-b)2的图象与x轴的交点都在x轴负半轴上,可知C不符合. 方法二 设f(x)=a(x-a)(x-b)2,f(0)=-a2b2≤0, 故排除A,C; 由f(x)=0,得x=a或x=b,由选项B,D的图象知b<00时,g(x)>0,当x<0时,g(x)<0, 故f(x)在(-∞,0)上单调递减,在(0,+∞)上单调递增, 故x=0是函数f(x)的唯一极小值点,符合题意; 当a<1时,g'(0)=-cos 0+a=-1+a<0, 故一定存在m>0,使g(x)在(0,m)上单调递减, 此时x=0不是函数f(x)的极小值点,故a<1时不符合题意. 综上所述,a的取值范围为[1,+∞). 二、多项选择题(每小题6分,共12分) 7.(2024·杭州模拟)已知函数f(x)=(x+1)ex,则下列结论正确的是( ) A.f(x)在区间(-2,+∞)上单调递增 1 B.f(x)的最小值为- e2 C.方程f(x)=2的解有2个 D.导函数f'(x)的极值点为-3 答案 ABD 解析 由f(x)=(x+1)ex,可得f'(x)=(x+2)ex, 令f'(x)<0,x∈(-∞,-2),令f'(x)>0,x∈(-2,+∞), 故f(x)在(-∞,-2)上单调递减,在(-2,+∞)上单调递增, 1 故f(x)的最小值为f(-2)=- ,故A,B正确; e2 若讨论方程f(x)=2的解,即讨论g(x)=(x+1)ex-2的零点, 1 易知g(-2)=- -2<0,g(1)=2e-2>0, e2 故g(1)g(-2)<0, 故由零点存在定理得存在x ∈(-2,1),使x 为g(x)的一个零点, 0 0 而当x→-∞时,g(x)→-2,显然g(x)在(-∞,-2)内无零点, 故g(x)=(x+1)ex-2只有一个零点,即f(x)=2只有一个解,故C错误; 令h(x)=f'(x)=(x+2)ex,故h'(x)=(x+3)ex, 令h'(x)=0,解得x=-3,而h'(0)>0,h'(-4)<0, 故-3是h'(x)的变号零点,即-3是h(x)的极值点,故导函数f'(x)的极值点为-3,故D正确. 8.(2024·新课标全国Ⅱ)设函数f(x)=2x3-3ax2+1,则( ) A.当a>1时,f(x)有三个零点 B.当a<0时,x=0是f(x)的极大值点C.存在a,b,使得x=b为曲线y=f(x)的对称轴 D.存在a,使得点(1,f(1))为曲线y=f(x)的对称中心 答案 AD 解析 A选项,f'(x)=6x2-6ax=6x(x-a),由于a>1, 故当x∈(-∞,0)∪(a,+∞)时,f'(x)>0, 故f(x)在(-∞,0),(a,+∞)上单调递增, 当x∈(0,a)时,f'(x)<0,f(x)单调递减, 则f(x)在x=0处取到极大值,在x=a处取到极小值, 由f(0)=1>0,f(a)=1-a3<0, 则f(0)f(a)<0, 根据零点存在定理f(x)在(0,a)上有一个零点, 又f(-1)=-1-3a<0, f(2a)=4a3+1>0, 则f(-1)f(0)<0,f(a)f(2a)<0, 则f(x)在(-1,0),(a,2a)上各有一个零点, 于是当a>1时,f(x)有三个零点,A选项正确; B选项,f'(x)=6x(x-a), 由于a<0,当x∈(a,0)时,f'(x)<0,f(x)单调递减, 当x∈(0,+∞)时,f'(x)>0,f(x)单调递增, 此时f(x)在x=0处取到极小值,B选项错误; C选项,假设存在这样的a,b,使得x=b为f(x)的对称轴, 即存在这样的a,b使得f(x)=f(2b-x), 即2x3-3ax2+1=2(2b-x)3-3a(2b-x)2+1, 根据二项式定理,等式右边(2b-x)3展开式中含有x3的项为 2C3(2b)0(-x)3=-2x3, 3 于是等式左右两边x3的系数不相等,原等式不可能恒成立, 于是不存在这样的a,b,使得x=b为f(x)的对称轴,C选项错误; D选项, 方法一 (利用对称中心的表达式化简) f(1)=3-3a,若存在这样的a,使得(1,3-3a)为f(x)的对称中心, 则f(x)+f(2-x)=6-6a,事实上, f(x)+f(2-x)=2x3-3ax2+1+2(2-x)3-3a(2-x)2+1=(12-6a)x2+(12a-24)x+18-12a, 于是6-6a=(12-6a)x2+(12a-24)x+18-12a,{ 12-6a=0, 即 12a-24=0, 解得a=2, 18-12a=6-6a, 即存在a=2使得(1,f(1))是f(x)的对称中心,D选项正确. 方法二 (直接利用拐点结论) 任何三次函数都有对称中心,对称中心的横坐标是二阶导数的零点, f(x)=2x3-3ax2+1, f'(x)=6x2-6ax,f″(x)=12x-6a, a 由f″(x)=0得x= , 2 (a (a)) 于是该三次函数的对称中心为 ,f , 2 2 由题意(1,f(1))也是对称中心, a 故 =1,即a=2, 2 即存在a=2使得(1,f(1))是f(x)的对称中心,D选项正确. 三、填空题(每小题5分,共10分) 9.(2024·宜宾模拟)已知函数f(x)=x3+ax2+bx+a2在x=-1处有极值8,则f(1)= . 答案 -4 解析 f'(x)=3x2+2ax+b, 若函数f(x)在x=-1处有极值8, {-1+a-b+a2=8, 则f(-1)=8且f'(-1)=0,即 3-2a+b=0, {a=3, {a=-2, 解得 或 b=3 b=-7. 当a=3,b=3时,f'(x)=3x2+6x+3=3(x+1)2≥0, 此时x=-1不是极值点,故舍去; 当a=-2,b=-7时,f'(x)=3x2-4x-7=(3x-7)(x+1), 7 当x> 或x<-1时,f'(x)>0, 3 7 当-10,V(x)单调递增; 3 (2√2 ] 当x∈ ,1 时,V'(x)<0,V(x)单调递减, 3 2√2 所以当x= 时,圆柱的体积有最大值. 3 四、解答题(共31分) 2x2-ax+a 11.(14分)(2024·深圳模拟)已知函数f(x)= ,其中a∈R. ex (1)若a=1,求f(x)在[-1,1]上的最小值;(5分) (2)求证:f(x)的极大值恒为正数.(9分) 2x2-x+1 (1)解 当a=1时,f(x)= ,x∈[-1,1], ex -2x2+5x-2 f'(x)= , ex 1 令f'(x)=0,得x= , 2 (1) 1 √e 又f = = , 2 √e e2 且f(-1)=4e,f(1)= , e (1) √e ∴f(x) =f = . min 2 e -2x2+(a+4)x-2a (-2x+a)(x-2) (2)证明 因为f'(x)= = , ex ex 令f'(x)=0, a 解得x =2,x = , 1 2 2 a a 若a>4,当x<2或x> 时,f'(x)<0,当20, 2 2 (a ) 所以f(x)在(-∞,2), ,+∞ 上单调递减, 2 ( a) 在 2, 上单调递增, 2 a (a) 故极大值为f = a>0; 2 e2 若a=4,则f'(x)≤0, 所以函数f(x)在R上单调递减,无极大值; a a 若a<4,当x< 或x>2时,f'(x)<0,当 0, 2 2 ( a) 所以f(x)在 -∞, ,(2,+∞)上单调递减, 2 (a ) 8-a 在 ,2 上单调递增,故极大值为f(2)= >0. 2 e2 综上,f(x)的极大值恒为正数. 12.(17分)(2024·泸州模拟)已知函数f(x)=2x3-ax2+2(a>0). (1)求曲线y=f(x)在点(0,f(0))处的切线方程;(6分) (2)若在区间[-1,1]内存在x ,x ,使得f(x )f(x )≥9,求实数a的取值范围.(11分) 1 2 1 2 解 (1)因为f(x)=2x3-ax2+2(a>0), 所以f(0)=2, 又f'(x)=6x2-2ax,所以f'(0)=0, 所以曲线y=f(x)在点(0,f(0))处的切线方程为y=2. ( a) (2)因为f'(x)=6x2-2ax=6x x- ,又a>0, 3a a 所以当0 时,f'(x)>0, 3 3 ( a) (a ) 所以f(x)在 0, 上单调递减,在(-∞,0), ,+∞ 上单调递增. 3 3 则在区间[-1,1]内存在x ,x ,使得f(x )f(x )≥9, 1 2 1 2 等价于在区间[-1,1]内存在x,使得[f(x)]2≥9, 等价于在区间[-1,1]内存在x,使得|f(x)|≥3, 等价于在区间[-1,1]内,|f(x)|的最大值不小于3. 不妨令g(x)=|f(x)|, a ①当 ≥1,即a≥3时,f(x)在[-1,0)上单调递增,在(0,1]上单调递减, 3 且f(-1)=-a≤-3,f(0)=2,f(1)=4-a≤1, 所以g(x) =|f(x)| =max{a,2,|4-a|}≥3,符合题意; max max a (a ] ( a) ②当0< <1,即00, 3 3 27 而f(-1)=-a∈(-3,0),f(0)=2,f(1)=4-a>0, 所以g(x) =|f(x)| =max{a,2,|4-a|}, max max 要使g(x) ≥3,则必有4-a≥3,解得a≤1,故00)是“α旋转函数”,求tan α的最大值;(5分) x2 π (3)若函数g(x)=m(x-1)ex-xln x- 是“ 旋转函数”,求m的取值范围.(7分) 2 4 π 解 (1)函数y=√3x不是“ 旋转函数”,理由如下: 6 π y=√3x的图象绕坐标原点逆时针旋转 后与y轴重合, 6 当x=0时,有无数个y与之对应,与函数的概念矛盾,π 因此函数y=√3x不是“ 旋转函数”. 6 (2)由题意可得, (π ) 函数f(x)=ln(2x+1)(x>0)与函数y=kx+b的图象最多有1个交点,且k=tan -α , 2 所以ln(2x+1)=kx+b(x>0)最多有一个根, 即ln(2x+1)-kx=b(x>0)最多有一个根, 因此函数y=ln(2x+1)-kx(x>0)的图象与直线y=b(b∈R)最多有1个交点, 即函数y=ln(2x+1)-kx在(0,+∞)上单调. 2 2 因为y'= -k,且x>0, ∈(0,2), 2x+1 2x+1 2 2 所以y'= -k≤0,k≥ ,所以k≥2, 2x+1 2x+1 (π ) 1 即tan -α ≥2,tan α≤ , 2 2 1 即tan α的最大值为 . 2 x2 (3)由题意可得函数g(x)=m(x-1)ex-xln x- 与函数y=x+b的图象最多有1个交点, 2 x2 所以m(x-1)ex-xln x- =x+b, 2 x2 即m(x-1)ex-xln x- -x=b最多有一个根, 2 x2 所以函数y=m(x-1)ex-xln x- -x的图象与直线y=b(b∈R)最多有1个交点, 2 x2 即函数y=m(x-1)ex-xln x- -x在(0,+∞)上单调. 2 y'=mxex-ln x-x-2,当x→0时,y'→+∞, (lnx+x+2) 所以y'≥0 m≥ , xex max ⇒ lnx+x+2 令φ(x)= , xex (x+1)(-lnx-x-1) 则φ'(x)= , x2ex ( 1 ) 因为t(x)=-ln x-x-1在(0,+∞)上单调递减,且t >0,t(1)<0, e2( 1 ) 所以存在x ∈ ,1 ,使t(x )=0, 0 e2 0 1 即ln x +x =-1 ln(x ex 0)=-1 x ex 0= , 0 0 0 0 e ⇒ ⇒ 所以φ(x)在(0,x )上单调递增,在(x ,+∞)上单调递减, 0 0 ln x +x +2 1 0 0 所以φ(x) =φ(x )= = =e,即m≥e,故m的取值范围为[e,+∞). max 0 x ex 0 x ex 0 0 0