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已知函数 f(x)=excos⁡x−tan⁡x, x∈(0,π2).

  1. 证明: f(x)>2tan⁡x;
  2. 已知数列 {θn} 满足: θn∈(0,π2), tan⁡θn+1=f(θn), n∈N∗. 记 λ=eπ2−1.
    1. 证明: λtan⁡θn−tan⁡θn+1<λ+1;
    2. 是否存在小于 λ 的实数 a, 使得 tan⁡θn<an 对任意的正整数 n 成立? 若存在, 求 a 的取值范围; 若不存在, 请说明理由.
解答

  1. 证明 原不等式等价于 ex>3sin⁡x. 记 g(x)=ex3sin⁡x, 则 g′(x)=ex(sin⁡x−cos⁡x)3sin2⁡x, 容易知道 g(x) 的最小值为 g(π4). 这样本题变成了 eπ4 和 322 的大小比较, 也即 eπ,814 的大小比较. 注意到 eπ−814=∫0π(1−sin⁡x)2(18045−17030sin⁡x)exsin2⁡x2064dx>0, 所以得证! (出题人你要不还是给个 eπ 吧)
    1. 证明 经过一段代数变形, 原不等式等价于 (eπ2−1)tan⁡θn−(eθncos⁡θn−tan⁡θn)<eπ2⟺eπ2tan⁡θn−eθncos⁡θn<eπ2⟺sin⁡θn−cos⁡θn−eθn−π2<0. 记 h(x)=sin⁡x−cos⁡x−ex−π2, x∈(0,π2). 则 h′(x)=sin⁡x+cos⁡x−ex−π2=2sin⁡(x+π4)⏟>1−ex−π2⏟<1>0, 所以 h(θn)<h(π2)=0. 得证!
    2. 解 2.1 的结论式等价于 (*)tan⁡θn+1−λ+1λ−1>λ(tan⁡θn−λ+1λ−1). 由 1, tan⁡θn+1>2tan⁡θn. 而 tan⁡θ1>0, 所以 ∃N:tan⁡θN>λ+1λ−1. 这样对 (*) 累乘: tan⁡θn−λ+1λ−1>λn−N(tan⁡θN−λ+1λ−1)=ΔλnbN. 如果 an>tan⁡θn 恒成立, 则 an>tan⁡θn>λ+1λ−1+λnbN>λnbN⇒(aλ)n>bN. 但 a<λ, 所以 (aλ)n→0, 产生了矛盾. 所以这样的 a 不存在.