题目
已知f(x)=ax-(sinx)/(co(s)^3x),x∈(0,(π)/(2)).(1)若a=8,讨论f(x)的单调性;(2)若f(x)<sin2x恒成立,求a的取值范围.
已知f(x)=ax-$\frac{sinx}{co{s}^{3}x}$,x∈(0,$\frac{π}{2}$).
(1)若a=8,讨论f(x)的单调性;
(2)若f(x)<sin2x恒成立,求a的取值范围.
(1)若a=8,讨论f(x)的单调性;
(2)若f(x)<sin2x恒成立,求a的取值范围.
题目解答
答案
解:(1)已知f(x)=ax-$\frac{sinx}{co{s}^{3}x}$,函数定义域为(0,$\frac{π}{2}$),
若a=8,此时f(x)=8x-$\frac{sinx}{co{s}^{3}x}$,
可得f′(x)=8-$\frac{cosx•cos^{3}x+sinx•3cos^{2}x•sinx}{co{s}^{6}x}$
=$\frac{(4cos^{2}x+3)(2cos^{2}x-1)}{co{s}^{4}x}$,
因为4cos²x+3>0,cos4x>0,
所以当cosx>$\frac{\sqrt{2}}{2}$,即0<x<$\frac{π}{4}$时,f′(x)>0,f(x)单调递增;
当cosx<$\frac{\sqrt{2}}{2}$,即$\frac{π}{4}$<x<$\frac{π}{2}$时,f′(x)<0,f(x)单调递减;
(2)不妨设g(x)=ax-$\frac{sinx}{co{s}^{3}x}$-sin2x,函数定义域为(0,$\frac{π}{2}$),
g′(x)=a-$\frac{3-2cos^{2}x}{co{s}^{4}x}$-2cos2x=a-$\frac{3-2cos^{2}x}{co{s}^{4}x}$-2(2cos²x-1),
令cos²x=t,0<t<1,
此时g′(t)=a+2-4t+$\frac{2}{t}$-$\frac{3}{t^{2}}$,
不妨令k(t)=a+2-4t+$\frac{2}{t}$-$\frac{3}{t^{2}}$,
可得k′(t)=-4-$\frac{2}{t^{2}}$+$\frac{6}{t^{3}}$=-$\frac{2(t-1)(2t^{2}+2t+3)}{t^{3}}$>0,
所以k(t)单调递减,
此时k(t)<k(1)=a-3,
①当a≤3时,g′(x)=k(t)<a-3≤0,
所以g(x)在(0,$\frac{π}{2}$)上单调递减,
此时g(x)<g(0)=0,
则当a≤3时,f(x)<sin2x恒成立,符合题意;
②当a>3时,
当t→0时,$\frac{2}{t}$-$\frac{3}{t^{2}}$=-3($\frac{1}{t}$-$\frac{1}{3}$)²+$\frac{1}{3}$→-∞,
所以k(t)→-∞,
又k(1)=a-3>0,
所以在区间(0,1)上存在一点t0,使得k(t0)=0,
即存在x0∈(0,$\frac{π}{2}$),使得g′(x0)=0,
当t0<t<1时,k(t)>0,
所以当0<x<x0时,g′(x)>0,g(x)单调递增,
可得当0<x<x0时,g(x)>g(0)=0,不符合题意,
综上,a的取值范围为(-∞,3].
若a=8,此时f(x)=8x-$\frac{sinx}{co{s}^{3}x}$,
可得f′(x)=8-$\frac{cosx•cos^{3}x+sinx•3cos^{2}x•sinx}{co{s}^{6}x}$
=$\frac{(4cos^{2}x+3)(2cos^{2}x-1)}{co{s}^{4}x}$,
因为4cos²x+3>0,cos4x>0,
所以当cosx>$\frac{\sqrt{2}}{2}$,即0<x<$\frac{π}{4}$时,f′(x)>0,f(x)单调递增;
当cosx<$\frac{\sqrt{2}}{2}$,即$\frac{π}{4}$<x<$\frac{π}{2}$时,f′(x)<0,f(x)单调递减;
(2)不妨设g(x)=ax-$\frac{sinx}{co{s}^{3}x}$-sin2x,函数定义域为(0,$\frac{π}{2}$),
g′(x)=a-$\frac{3-2cos^{2}x}{co{s}^{4}x}$-2cos2x=a-$\frac{3-2cos^{2}x}{co{s}^{4}x}$-2(2cos²x-1),
令cos²x=t,0<t<1,
此时g′(t)=a+2-4t+$\frac{2}{t}$-$\frac{3}{t^{2}}$,
不妨令k(t)=a+2-4t+$\frac{2}{t}$-$\frac{3}{t^{2}}$,
可得k′(t)=-4-$\frac{2}{t^{2}}$+$\frac{6}{t^{3}}$=-$\frac{2(t-1)(2t^{2}+2t+3)}{t^{3}}$>0,
所以k(t)单调递减,
此时k(t)<k(1)=a-3,
①当a≤3时,g′(x)=k(t)<a-3≤0,
所以g(x)在(0,$\frac{π}{2}$)上单调递减,
此时g(x)<g(0)=0,
则当a≤3时,f(x)<sin2x恒成立,符合题意;
②当a>3时,
当t→0时,$\frac{2}{t}$-$\frac{3}{t^{2}}$=-3($\frac{1}{t}$-$\frac{1}{3}$)²+$\frac{1}{3}$→-∞,
所以k(t)→-∞,
又k(1)=a-3>0,
所以在区间(0,1)上存在一点t0,使得k(t0)=0,
即存在x0∈(0,$\frac{π}{2}$),使得g′(x0)=0,
当t0<t<1时,k(t)>0,
所以当0<x<x0时,g′(x)>0,g(x)单调递增,
可得当0<x<x0时,g(x)>g(0)=0,不符合题意,
综上,a的取值范围为(-∞,3].
解析
步骤 1:求导数
首先,我们对函数f(x)=ax-$\frac{sinx}{co{s}^{3}x}$求导,得到f′(x)。
步骤 2:代入a=8
将a=8代入f′(x)中,得到f′(x)=8-$\frac{cosx•cos^{3}x+sinx•3cos^{2}x•sinx}{co{s}^{6}x}$。
步骤 3:化简导数
化简f′(x)=8-$\frac{cosx•cos^{3}x+sinx•3cos^{2}x•sinx}{co{s}^{6}x}$,得到f′(x)=$\frac{(4cos^{2}x+3)(2cos^{2}x-1)}{co{s}^{4}x}$。
步骤 4:讨论单调性
根据f′(x)的符号,讨论f(x)的单调性。
步骤 5:定义新函数
定义g(x)=ax-$\frac{sinx}{co{s}^{3}x}$-sin2x,求导得到g′(x)。
步骤 6:化简g′(x)
化简g′(x)=a-$\frac{3-2cos^{2}x}{co{s}^{4}x}$-2cos2x,得到g′(t)=a+2-4t+$\frac{2}{t}$-$\frac{3}{t^{2}}$。
步骤 7:求导g′(t)
求导g′(t)得到k′(t)=-4-$\frac{2}{t^{2}}$+$\frac{6}{t^{3}}$。
步骤 8:讨论k′(t)的符号
根据k′(t)的符号,讨论k(t)的单调性。
步骤 9:讨论a的取值范围
根据k(t)的单调性,讨论a的取值范围。
首先,我们对函数f(x)=ax-$\frac{sinx}{co{s}^{3}x}$求导,得到f′(x)。
步骤 2:代入a=8
将a=8代入f′(x)中,得到f′(x)=8-$\frac{cosx•cos^{3}x+sinx•3cos^{2}x•sinx}{co{s}^{6}x}$。
步骤 3:化简导数
化简f′(x)=8-$\frac{cosx•cos^{3}x+sinx•3cos^{2}x•sinx}{co{s}^{6}x}$,得到f′(x)=$\frac{(4cos^{2}x+3)(2cos^{2}x-1)}{co{s}^{4}x}$。
步骤 4:讨论单调性
根据f′(x)的符号,讨论f(x)的单调性。
步骤 5:定义新函数
定义g(x)=ax-$\frac{sinx}{co{s}^{3}x}$-sin2x,求导得到g′(x)。
步骤 6:化简g′(x)
化简g′(x)=a-$\frac{3-2cos^{2}x}{co{s}^{4}x}$-2cos2x,得到g′(t)=a+2-4t+$\frac{2}{t}$-$\frac{3}{t^{2}}$。
步骤 7:求导g′(t)
求导g′(t)得到k′(t)=-4-$\frac{2}{t^{2}}$+$\frac{6}{t^{3}}$。
步骤 8:讨论k′(t)的符号
根据k′(t)的符号,讨论k(t)的单调性。
步骤 9:讨论a的取值范围
根据k(t)的单调性,讨论a的取值范围。