已知 $a>0$,函数 $f\left(x\right)={\mathrm e}^{ax}\sin x\left(x\in\left[0,+\infty\right)\right)$,记 $x_n$ 为 $f\left(x\right)$ 的从小到大的第 $n\left(n\in \mathbb N^*\right)$ 个极值点.证明:
【难度】
【出处】
【标注】
  1. 数列 $\left\{f\left(x_n\right)\right\}$ 是等比数列;
    标注
    答案
    解析
    根据函数单调性求出极值点 $x_n$ 的表达式是解题的关键.对函数 $f\left(x\right)$ 求导,得\[\begin{split}f'\left(x\right)&\overset{\left[a\right]}=a{\mathrm e}^{ax}\sin x+{\mathrm e}^{ax}\cos x\\&={\mathrm e}^{ax}\left(a\sin x+\cos x\right)\\&\overset{\left[b\right]}=\sqrt{a^2+1}{\mathrm e}^{ax}\sin\left(x+\varphi\right).\end{split}\](推导中用到:[a][b])其中 $\tan\varphi=\dfrac{1}{a}$,$0<\varphi<\dfrac{\mathrm \pi} {2}$.
    令 $f'\left(x\right)=0$,由 $x\geqslant0$ 得 $x+\varphi=m{\mathrm \pi} $,即\[x=m{\mathrm \pi} -\varphi,m\in \mathbb N^*.\]对 $k\in \mathbb N$,若 $2k{\mathrm \pi} <x+\varphi<\left(2k+1\right){\mathrm \pi} $,即\[2k{\mathrm \pi} -\varphi<x<\left(2k+1\right){\mathrm \pi} -\varphi,\]则 $f'\left(x\right)>0$;
    若 $\left(2k+1\right){\mathrm \pi} <x+\varphi<\left(2k+2\right){\mathrm \pi} $,即\[\left(2k+1\right){\mathrm \pi} -\varphi<x<\left(2k+2\right){\mathrm \pi} -\varphi,\]则 $f'\left(x\right)<0$.
    因此,在区间 $\left(\left(m-1\right){\mathrm \pi} ,m{\mathrm \pi} -\varphi\right)$ 与 $\left(m{\mathrm \pi} -\varphi,m{\mathrm \pi} \right)$ 上,$f'\left(x\right)$ 的符号总相反.
    于是,当 $x=m{\mathrm \pi} -\varphi\left(m\in \mathbb N^*\right)$ 时,$f\left(x\right)$ 取得极值,所以\[x_n=n{\mathrm \pi} -\varphi,\left(n\in \mathbb N^*\right).\]此时,\[f\left(x_n\right)={\mathrm e}^{a\left(n{\mathrm \pi} -\varphi\right)}\sin\left(n{\mathrm \pi} -\varphi\right)=\left(-1\right)^{n+1}{\mathrm e}^{a\left(n{\mathrm \pi} -\varphi\right)}\sin\varphi,\]易知 $f\left(x_n\right)\ne 0$,
    且 $\dfrac{f\left(x_{n+1}\right)}{f\left(x_n\right)}=\dfrac{\left(-1\right)^{n+2}{\mathrm e}^{a\left[\left(n+1\right){\mathrm \pi} -\varphi\right]}\sin\varphi}{\left(-1\right)^{n+1}{\mathrm e}^{a\left(n{\mathrm \pi} -\varphi\right)}\sin\varphi}=-{\mathrm e}^{a{\mathrm \pi} }$ 是常数,
    故数列 $\left\{f\left(x_n\right)\right\}$ 是首项为 $f\left(x_1\right)={\mathrm e}^{a\left({\mathrm \pi} -\varphi\right)}\sin\varphi$,公比为 $-{\mathrm e}^{a{\mathrm \pi} }$ 的等比数列.
  2. 若 $a\geqslant\dfrac{1}{\sqrt{{\mathrm e}^2-1}}$,则对一切 $n\in \mathbb N^*$,$x_n< \left|f\left(x_n\right) \right|$ 恒成立.
    标注
    答案
    解析
    参变分离将欲证结论进行转化是解题的关键.由(1)知,\[\sin\varphi=\dfrac{1}{\sqrt{a^2+1}},\]于是对一切 $n\in \mathbb N^*$,$x_n< \left|f\left(x_n\right) \right|$ 恒成立,即\[n{\mathrm \pi} -\varphi<\dfrac{1}{\sqrt{a^2+1}}{{\mathrm e}^{a\left(n{\mathrm \pi} -\varphi\right)}}\]恒成立,等价于\[\dfrac{\sqrt{a^2+1}}{a}<\dfrac{{\mathrm e}^{a\left(n{\mathrm \pi} -\varphi\right)}}{a\left(n{\mathrm \pi} -\varphi\right)}\](*)恒成立(因为 $a>0$).
    设 $g\left(t\right)=\dfrac{{\mathrm e}^t}{t}\left(t>0\right)$,则\[g'\left(t\right)=\dfrac{{\mathrm e}^t\left(t-1\right)}{t^2}\],由 $g'\left(t\right)=0$ 得 $t=1$.
    当 $0<t<1$ 时,$g'\left(t\right)<0$,所以 $g\left(t\right)$ 在 $\left(0,1\right)$ 上单调递减;
    当 $t>1$ 时,$g'\left(t\right)>0$,所以 $g\left(t\right)$ 在 $\left(1,+\infty\right)$ 上单调递增.
    从而当 $t=1$ 时,函数 $g\left(t\right)$ 取得最小值 $g\left(1\right)=\mathrm e$.
    因此,要使(*)式恒成立,只需\[\dfrac{\sqrt{a^2+1}}{a}<g\left(1\right)=\mathrm e,\]即只需 $a>\dfrac{1}{\sqrt {{{\mathrm e}^2}-1}}$.
    而当 $a=\dfrac{1}{\sqrt {{{\mathrm e}^2}-1}}$ 时,由\[\tan\varphi=\dfrac{1}{a}=\sqrt{{\mathrm e}^2-1}>\sqrt 3 且 0<\varphi<\dfrac{\mathrm \pi} {2}\]知,$\dfrac{\mathrm \pi} {3}<\varphi<\dfrac{\mathrm \pi} {2}$.
    于是 ${\mathrm \pi} -\varphi<\dfrac{2{\mathrm \pi} }{3}<\sqrt{{\mathrm e}^2-1}$,且当 $n\geqslant 2$ 时,\[n{\mathrm \pi} -\varphi\geqslant 2{\mathrm \pi} -\varphi>\dfrac{3{\mathrm \pi} }{2}>\sqrt {{{\mathrm e}^2}-1}.\]因此,对一切 $n\in \mathbb N^*$,\[ax_n=\dfrac{n{\mathrm \pi} -\varphi}{\sqrt{{\mathrm e}^2-1}}\ne 1.\]所以\[g\left(ax_n\right)>g\left(1\right)=\mathrm e=\dfrac{\sqrt{a^2+1}}{a}.\]故(*)式也恒成立.
    综上所述,若 $a\geqslant\dfrac{1}{\sqrt{{\mathrm e}^2-1}}$,则对一切 $n\in \mathbb N^*$,$x_n< \left|f\left(x_n\right) \right|$ 恒成立.
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
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