已知函数 $ f\left(x\right)=ax\sin x-{\dfrac{3}{2}}\left(a\in {\mathbb{R}}\right) $,且在 $\left[ 0,{\dfrac{\mathrm \pi }{2}} \right]$ 上的最大值为 $ {\dfrac{{\mathrm \pi }-3}{2}} $.
【难度】
【出处】
2012年高考福建卷(文)
【标注】
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求函数 $ f\left(x\right) $ 的解析式;标注答案解析由已知得\[ f '\left(x\right)=a\left(\sin x+x\cos x\right),\]对于任意 $ x\in \left(0,{\dfrac{{\mathrm \pi } }{2}} \right) $,有 $ \sin x+x\cos x>0 $.
当 $ a=0 $ 时,$ f\left(x\right)=-{\dfrac{3}{2}} $,不合题意;
当 $ a<0$,$x\in \left(0,{\dfrac{\mathrm \pi }{2}} \right)$ 时,$ f '\left(x\right)<0 $,从而 $ f\left(x\right) $ 在 $ \left(0,{\dfrac{\mathrm \pi }{2}} \right)$ 内单调递减.
又 $ f\left(x\right) $ 在 $ \left[0,{\dfrac{\mathrm \pi }{2}}\right] $ 上的图象是连续不断的,故 $ f\left(x\right) $ 在 $ \left[0,{\dfrac{{\mathrm \pi } }{2}}\right] $ 上的最大值为 $ f\left(0\right)=-{\dfrac{3}{2}} $,不合题意;
当 $ a>0$,$x\in \left( 0,{\dfrac{{\mathrm \pi } }{2}} \right)$ 时,$ f '\left(x\right)>0 $,从而 $ f\left(x\right) $ 在 $ \left(0,{\dfrac{{\mathrm \pi } }{2}} \right) $ 内单调递增,
又 $ f\left(x\right) $ 在 $ \left[0,{\dfrac{\mathrm \pi }{2}}\right] $ 上的图象是连续不断的,故 $ f\left(x\right) $ 在 $ \left[0,{\dfrac{\mathrm \pi }{2}} \right] $ 上的最大值为 $ f \left({\dfrac{\mathrm \pi }{2}} \right)$,即\[ f\left( {\dfrac{{\mathrm \pi } }{2}}\right) ={\dfrac{{\mathrm \pi } }{2}}a-{\dfrac{3}{2}}={\dfrac{{\mathrm \pi } -3}{2}}, \]解得\[ a=1. \]综上所述,得\[ f\left(x\right)=x\sin x-{\dfrac{3}{2}}. \] -
判断函数 $ f\left(x\right) $ 在 $ \left(0,{\mathrm \pi }\right) $ 内的零点个数,并加以证明.标注答案解析$ f\left(x\right) $ 在 $ \left(0,{\mathrm \pi } \right) $ 内有且只有两个零点.
证明如下:
由(1)知,$ f\left(x\right)=x\sin x-{\dfrac{3}{2}} $,从而有\[\begin{split} f\left(0\right)&=-{\dfrac{3}{2}}<0,\\ f \left({\dfrac{{\mathrm \pi } }{2}}\right) &={\dfrac{{\mathrm \pi }-3}{2}}>0,\end{split} \]又 $ f\left(x\right) $ 在 $ \left[0,{\dfrac{{\mathrm \pi } }{2}} \right] $ 上的图象是连续不断的,所以 $ f\left(x\right) $ 在 $ \left(0,{\dfrac{{\mathrm \pi } }{2}} \right)$ 内至少存在一个零点.
又由(1)知 $ f\left(x\right) $ 在 $ \left[0,{\dfrac{{\mathrm \pi } }{2}} \right]$ 上单调递增,故 $ f\left(x\right) $ 在 $ \left(0,{\dfrac{{\mathrm \pi } }{2}}\right) $ 内有且仅有一个零点.
当 $ x\in \left[{\dfrac{\mathrm \pi }{2}},{\mathrm \pi }\right] $ 时,令\[g\left(x\right)=f '\left(x\right)=\sin x+x\cos x .\]由\[ g\left( {\dfrac{{\mathrm \pi } }{2}}\right) =1>0,g\left({\mathrm \pi } \right)=-{\mathrm \pi } <0 ,\]且 $ g\left(x\right) $ 在 $ \left[{\dfrac{\mathrm \pi }{2}},{\mathrm \pi }\right] $ 上的图象是连续不断的,故存在 $ m\in \left({\dfrac{{\mathrm \pi } }{2}},{\mathrm \pi }\right) $,使得 $ g\left(m\right)=0 $.
由\[ g'\left(x\right)=2\cos x-x\sin x ,\]知 $ x\in \left( {\dfrac{{\mathrm \pi } }{2}},{\mathrm \pi }\right)$ 时,有\[ g'\left(x\right)<0 ,\]从而 $ g\left(x\right) $ 在 $ \left({\dfrac{{\mathrm \pi } }{2}},{\mathrm \pi }\right) $ 内单调递减;
当 $ x\in \left({\dfrac{\mathrm \pi }{2}} , m \right) $ 时,有\[ g\left(x\right)>g\left(m\right)=0 ,\]即 $ f '\left(x\right)>0 $,从而 $ f\left(x\right) $ 在 $ \left({\dfrac{\mathrm \pi }{2}},m\right) $ 内单调递增;
故当 $ x\in \left[{\dfrac{{\mathrm \pi } }{2}} ,m\right] $ 时,有\[ f\left(x\right)\geqslant f \left({\dfrac{\mathrm \pi }{2}} \right)={\dfrac{{\mathrm \pi } -3}{2}}>0 ,\]故 $ f\left(x\right) $ 在 $\left[ {\dfrac{\mathrm \pi }{2}},m \right] $ 上无零点;
当 $ x\in \left(m,{\mathrm \pi } \right) $ 时,有\[ g\left(x\right)<g\left(m\right)=0 ,\]即 $ f'\left(x\right)<0 $,从而 $ f\left(x\right) $ 在 $ \left(m,{\mathrm \pi }\right) $ 内单调递减;
又 $ f\left(m\right)>0$,$f\left({\mathrm \pi }\right)<0 $,且 $ f\left(x\right) $ 在 $ \left[m,{\mathrm \pi } \right] $ 上的图象是连续不断的,
从而 $ f\left(x\right) $ 在 $ \left(m,{\mathrm \pi } \right) $ 内有且仅有一个零点.
综上所述,$ f\left(x\right) $ 在 $ \left(0,{\mathrm \pi } \right) $ 内有且只有两个零点.
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