数学救急室
#d72575a0-774a-43ca-983f-772d972d5058中等解答题导数与零点问题导数

4.(2023•东莞市校级三模)已知函数f(x)=1−cos⁡xf(x)=1-\cos x. (1)证明:f(x)⩽x22f(x)\leqslant \frac{x^{2}}{2}; (2)证明:函数h(x)=aln(x+1)−f(x)(0<a<1)h(x)=aln(x+1)-f(x)(0<a<1)在(0,π2)(0,\frac{\pi }{2})上有唯一零点x0x_{0},且x0>4a+1−1x_{0}>\sqrt{4a+1}-1.

解析
【主解法】 第1步:证明:(1)令g(x)=cos⁡x−1+x22g(x)=\cos x-1+\frac{x^{2}}{2},求导得g′(x)=−sin⁡x+xg\prime (x)=-\sin x+x,g′′(x)=1−cos⁡x⩾0g\prime \prime (x)=1-\cos x\geqslant 0, 写出g(x)的解析式 第2步:即函数g′(x)g\prime (x)在RR上单调递增,由g′(x)>0g\prime (x)>0,得x∈(0,+∞)x\in (0,+\infty ),由g′(x)<0g\prime (x)<0,得x∈(−∞,0)x\in (-\infty ,0), 写出使g′(x)>0成立的x的取值区间 第3步:因此函数g(x)g(x)在(−∞,0)(-\infty ,0)上单调递减,在(0,+∞)(0,+\infty )上单调递增,∴g(x)⩾g(0)=0\therefore g(x)\geqslant g(0)=0, \therefore<span class="katex-error" title="ParseError: KaTeX parse error: Can&#x27;t use function &#x27;' in math mode at position 30: …\frac{x^{2}}{2}̲. 根据已知条件,写出因此函数…" style="color:#cc0000">f(x)\leqslant \frac{x^{2}}{2}. 根据已知条件,写出因此函数g(x)g(x)在(−∞,0)(-\infty ,0)上单调递减,在(0,+∞)(0,+\infty )上单调递增,∴g(x)⩾g(0)=0\therefore g(x)\geqslant g(0)=0, ∴</span>f(x)⩽x22\therefore</span>f(x)\leqslant \frac{x^{2}}{2}.对应的函数表达式 第4步:(2)由h(x)=aln(x+1)−1+cos⁡x,x∈(0,π2)h(x)=aln(x+1)-1+\cos x,x\in (0,\frac{\pi }{2}),求导得h′(x)=ax+1−sin⁡xh\prime (x)=\frac{a}{x+1}-\sin x, h′′(x)=−a(x+1)2−cos⁡x<0h\prime \prime (x)=-\frac{a}{(x+1)^{2}}-\cos x<0,即函数h\p写出h(x)的解析式第5步:又h\p 写出h(x)的解析式 第5步:又h\prime (0)=a>0,h\prime (\frac{\pi }{2})=\frac{a}{\frac{\pi }{2}+1}-1<\frac{1}{\frac{\pi }{2}+1}-1<0,由零点存在性定理知,存在唯一实数, 由零点存在性定理知,存在唯一实数m\in (0,\frac{\pi }{2}),使得,使得 写出使导函数在端点处符号确定的参数条件 第6步:则当x∈(0,m)x\in (0,m),h′(x)>0h\prime (x)>0,h(x)h(x)单调递增,x∈(m,π2),h′(x)<0,h(x)x\in (m,\frac{\pi }{2}),h\prime (x)<0,h(x)单调递减,而h(0)=0h(0)=0,则h(m)>0h(m)>0, 且h(x)>0h(x)>0在(0,m)(0,m)恒成立,又h(\frac{\pi }{2 计算h'(x)在区间内变号点处的函数值第7步:因此存在唯一在区间内变号点处的函数值 第7步:因此存在唯一x_{0}\in (0,\frac{\pi }{2}),使得,使得h(x_{0})=0,下面证明, 下面证明x_{0}>\sqrt{4a+1}-1,由,由0<a<1知知0<\sqrt{4a+1}-1<\sqrt{5}-1,即,即\sqrt{4a+1}-1\in (0,\frac{\pi }{ 写出对应的结果 第8步:则只需证h(4a+1−1)>0h(\sqrt{4a+1}-1)>0,即证aln4a+1>f(4a+1−1)aln\sqrt{4a+1}>f(\sqrt{4a+1}-1), 由(1)知:f(4a+1−1)⩽(4a+1−1)22f(\sqrt{4a+1}-1)\leqslant \frac{(\sqrt{4a+1}-1)^{2}}{2},只需证:aln4a+1>\fra则只需证aln\sqrt{4a+1}>\fra 则只需证h(\sqrt{4a+1}-1)>0,即证,即证aln\sqrt{4a+1}>f(\sqrt{4a+1}-1),由(1)知:, 由(1)知:f(\sqrt{4a+1}-1)\leqslant \frac{(\sqrt{4a+1}-1)^{2}}{2},只需证:,只需证:aln\sqrt{4a+1}>\fra 第9步:令t=4a+1−1∈(0,5−1)t=\sqrt{4a+1}-1\in (0,\sqrt{5}-1),而a=(t+1)2−14=t2+2t4a=\frac{(t+1)^{2}-1}{4}=\frac{t^{2}+2t}{4}, 写出用 aa 表示的 tt 的表达式 第10步:故只需证t2+2t4ln(t+1)>t22⇔ln(t+1)>2tt+2\frac{t^{2}+2t}{4}ln(t+1)>\frac{t^{2}}{2}\Harr ln(t+1)>\frac{2t}{t+2},其中t∈(0,5−1)t\in (0,\sqrt{5}-1), 写出将不等式化简后关于ln(t+1)的等价条件 第11步:令F(t)=ln(t+1)−2tt+2,t∈(0,5−1)F(t)=ln(t+1)-\frac{2t}{t+2},t\in (0,\sqrt{5}-1), 写出函数 F(t)F(t) 的表达式 第12步:则F′(t)=1t+1−4(t+2)2=t2(t+1)(t+2)2>0F\prime (t)=\frac{1}{t+1}-\frac{4}{(t+2)^{2}}=\frac{t^{2}}{(t+1)(t+2)^{2}}>0,函数F(t)F(t)在(0,5−1)(0,\sqrt{5}-1)上单调递增, 写出F′(t)通分后的分子分母构成的分式表达式 第13步:因此F(t)>F(0)=0F(t)>F(0)=0,即t∈(0,5−1)t\in (0,\sqrt{5}-1)时,ln(t+1)>2tt+2ln(t+1)>\frac{2t}{t+2}, \therefore<span class="katex-error" title="ParseError: KaTeX parse error: Can&#x27;t use function &#x27;' in math mode at position 20: …}>\sqrt{4a+1}-1̲. 根据因此F(t)>F(0…" style="color:#cc0000">x_{0}>\sqrt{4a+1}-1.根据因此. 根据因此F(t)>F(0)=0,即,即t\in (0,\sqrt{5}-1)时,时,ln(t+1)>\frac{2t}{t+2},,\thereforex_{0}>\sqrt{4a+1}-1$.,写出对应的结果