题目
证明方程x=asinx+b, 其中a>0, b>0, 至少有一个正根, 并且它不超过a+b.
证明方程x=asinx+b, 其中a>0, b>0, 至少有一个正根, 并且它不超过a+b.
题目解答
答案
证明 设f(x)=asin x+b−x, 则f(x)是[0, a+b]上的连续函数.f(0)=b, f(a+b)=a sin (a+b)+b−(a+b)=a[sin(a+b)−1]≤0.若f(a+b)=0, 则说明x=a+b就是方程x=asinx+b的一个不超过a+b的根;若f(a+b)<0, 则f(0)f(a+b)<0, 由零点定理, 至少存在一点ξ∈(0, a+b), 使f(ξ)=0, 这说明x=ξ 也是方程x=asinx+b的一个不超过a+b的根.总之, 方程x=asinx+b至少有一个正根, 并且它不超过a+b.
解析
考查要点:本题主要考查利用连续函数的零点定理证明方程根的存在性问题,需要结合三角函数的有界性进行分析。
解题核心思路:
- 构造辅助函数:将方程变形为$f(x) = a \sin x + b - x$,将证明根的存在性转化为证明$f(x)=0$有解。
- 分析端点函数值:计算$f(0)$和$f(a+b)$的值,利用$\sin x$的有界性($\sin x \leq 1$)判断符号。
- 应用零点定理:若端点函数值异号或为零,则在区间内存在零点,即方程有解。
破题关键点:
- 选择区间$[0, a+b]$:确保根不超过$a+b$,同时利用$a>0$和$b>0$简化分析。
- 利用$\sin x \leq 1$:直接得出$f(a+b) \leq 0$,无需具体计算$\sin(a+b)$的值。
步骤1:构造辅助函数
定义函数$f(x) = a \sin x + b - x$,其中$a>0$,$b>0$。
由于$\sin x$和线性函数$x$均为连续函数,故$f(x)$在区间$[0, a+b]$上连续。
步骤2:计算端点函数值
- 当$x=0$时:
$f(0) = a \sin 0 + b - 0 = 0 + b = b > 0.$ - 当$x=a+b$时:
$f(a+b) = a \sin(a+b) + b - (a+b) = a \left[ \sin(a+b) - 1 \right].$
由于$\sin(a+b) \leq 1$,故$\sin(a+b) - 1 \leq 0$,因此:
$f(a+b) \leq 0.$
步骤3:应用零点定理
- 情况1:若$f(a+b) = 0$,则$x = a+b$是方程的根,且不超过$a+b$。
- 情况2:若$f(a+b) < 0$,则$f(0) > 0$且$f(a+b) < 0$,根据零点定理,存在$\xi \in (0, a+b)$,使得$f(\xi) = 0$,即$\xi$是方程的根且$\xi < a+b$。
结论:无论哪种情况,方程$x = a \sin x + b$至少有一个正根,且不超过$a+b$。