设函数 $f\left(x\right)=x^2-ax+b$.
【难度】
【出处】
【标注】
  1. 讨论函数 $f\left(\sin x\right)$ 在 $\left(-\dfrac{\mathrm \pi} {2},\dfrac{\mathrm \pi} {2}\right)$ 内的单调性并判断有无极值,有极值时求出极值;
    标注
    答案
    (i)$a\leqslant-2$,$b\in{\mathbb R}$ 时,函数 $f\left(\sin x\right)$ 在 $\left(-\dfrac{\mathrm \pi} {2},\dfrac{\mathrm \pi} {2}\right)$ 上单调递增,无极值.
    (ii)$a\geqslant2$,$b\in \mathbb R$ 时,函数 $f\left(\sin x\right)$ 在 $\left(-\dfrac{\mathrm \pi} {2},\dfrac{\mathrm \pi} {2}\right)$ 上单调递减,无极值.
    (iii)$-2<a<2$,$b\in{\mathbb R}$ 时,函数 $f\left(\sin x\right)$ 在 $\left(-\dfrac{\mathrm \pi} {2},x_0\right)$ 上单调递减,在 $\left(x_0,\dfrac{\mathrm \pi} {2}\right)$ 上单调递增,在 $x_0$ 处有极小值.其极小值为 $ b-\dfrac{a^2}{4}$.(其中 $x_0 \in \left(-\dfrac{\mathrm \pi} {2},\dfrac{\mathrm \pi} {2}\right) ,且 2\sin {x_0}=a $)
    解析
    根据正弦函数的有界性来找分类讨论的划分标准.注意必须先求函数 $f\left(\sin x\right)$ 的解析式,再对其求导进行分析,而不能先对函数 $f\left( x \right)$ 求导,然后再代入自变量 $\sin x$ 分析性质.可以用导数研究函数的极值.
    因为\[\begin{split}f\left(\sin x\right)&=\sin^2x-a\sin x+b\\&=\sin x\left(\sin x-a\right)+b , -\dfrac{\mathrm \pi} {2}<x<\dfrac{\mathrm \pi} {2}.\end{split}\]所以\[\left[f\left(\sin x\right)\right]'=\left(2\sin x-a\right)\cos x , -\dfrac{\mathrm \pi} {2}< x< \dfrac{\mathrm \pi} {2}.\]因为 $-\dfrac{\mathrm \pi} {2}<x<\dfrac{\mathrm \pi} {2}$,所以 $\cos x>0$,$-2<2\sin x<2$.
    (i)$a\leqslant-2$,$b\in{\mathbb R}$ 时,函数 $f\left(\sin x\right)$ 单调递增,无极值.
    (ii)$a\geqslant2$,$b\in \mathbb R$ 时,函数 $f\left(\sin x\right)$ 单调递减,无极值.
    (iii)对于 $-2<a<2$,在 $\left(-\dfrac{\mathrm \pi} {2},\dfrac{\mathrm \pi} {2}\right)$ 内存在唯一的 $x_0$,使得 $2\sin{x_0}=a$.
    $-\dfrac{\mathrm \pi} {2}<x\leqslant x_0$ 时,函数 $f\left(\sin x\right)$ 单调递减;$x_0\leqslant x<\dfrac{\mathrm \pi} {2}$ 时,函数 $f\left(\sin x\right)$ 单调递增.
    因此 $-2<a<2$,$b\in{\mathbb R}$ 时,函数 $f\left(\sin x\right)$ 在 $x_0$ 处有极小值为 $f\left(\sin{x_0}\right)=f\left(\dfrac a2\right)=b-\dfrac{a^2}{4}$.
  2. 记 $f_0\left(x\right)=x^2-a_0x+b_0$,求函数 $ \left|f\left(\sin x\right)-f_0\left({\sin x}\right) \right|$ 在 $\left[-\dfrac{\mathrm \pi} {2},\dfrac{\mathrm \pi} {2}\right]$ 上的最大值 $D$;
    标注
    答案
    $ \left|f\left(\sin x\right)-f_0\left(\sin x\right) \right|$ 在 $\left[-\dfrac{\mathrm \pi} {2},\dfrac{\mathrm \pi} {2}\right]$ 上的最大值为 $D= \left|a-a_0 \right|+ \left|b+b_0 \right|$.
    解析
    根据正弦函数的有界性结合三角不等关系式即可求解,注意必须指明不等关系式中的等号能够取得.当 $-\dfrac{\mathrm \pi} {2}\leqslant x\leqslant \dfrac{\mathrm \pi} {2}$ 时,\[ \begin{split}\left|f\left(\sin x\right)-f_0\left(\sin x\right) \right|&= \left|\left(a_0-a\right)\sin x+b-b_0 \right|\\&\overset {\left[a\right]}\leqslant \left|a-a_0 \right|+ \left|b-b_0 \right|,\end{split}\](推导中用到 $\left[a\right]$.)当 $\left(a_0-a\right)\left(b-b_0\right)\geqslant0$ 时,取 $x=\dfrac{\mathrm \pi} {2}$ 等号成立;
    当 $\left(a_0-a\right)\left(b-b_0\right)<0$ 时,取 $x=-\dfrac{\mathrm \pi} {2}$,等号成立.
    由此可知,$ \left|f\left(\sin x\right)-f_0\left(\sin x\right) \right|$ 在 $\left[-\dfrac{\mathrm \pi} {2},\dfrac{\mathrm \pi} {2}\right]$ 上的最大值为 $D= \left|a-a_0 \right|+ \left|b+b_0 \right|$.
  3. 在(2)中,取 $a_0=b_0=0$,求 $z=b-\dfrac{a^2}{4}$ 满足条件 $D\leqslant1$ 时的最大值.
    标注
    答案
    略.
    解析
    利用规划的思想,把 $z$ 看成 $b$ 关于 $a$ 的函数在 $b$ 轴上的截距进行求解.$D\leqslant1$ 即为 $ \left|a \right|+ \left|b \right|\leqslant1$,此时 $0\leqslant a^2\leqslant1$,$-1\leqslant b\leqslant1$,从而 $z=b-\dfrac{a^2}{4}\leqslant1$.
    取 $a=0$,$b=1$,则 $ \left|a \right|+ \left|b \right|\leqslant1$,并且 $z=b-\dfrac{a^2}{4}=1$.
    因此可知,$z=b-\dfrac{a^2}{4}$ 满足条件 $D\leqslant1$ 时的最大值为 $1$.
题目 问题1 答案1 解析1 备注1 问题2 答案2 解析2 备注2 问题3 答案3 解析3 备注3
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