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已知函数 f(x)=ex+asin⁡x−1(a<0).

  1. 若 a=−1, 求证: 当 x≥0 时,f(x)≥0;
  2. 讨论函数 g(x)=f(x)+axcos⁡x 在区间 [0,π] 上的零点个数.
解答

  1. 证明 当 a=−1,x≥0,有 f′(x)=ex−cos⁡x≥1−cos⁡x≥0, 故 f(x)≥f(0)=0.

  2. 解 给定 a,记 g(x)=ga(x),是关于 a 的一次函数.

    • 当 −12≤a<0,则 ∀x∈[0,π]: g(x)≥min{g0(x),g−12(x)}.
      因为g0(x)=ex−1≥0,而[0,π]上g−12′(x)=(ex−cos⁡x)+12xcos⁡x≥0,
      故g−12(x)≥g(0)=0.因此此时g(x)只有唯一零点x=0.
    • 当 a<−12,考察 g′(x)=ex+a(2cos⁡x−xsin⁡x),g″(x)=ex−3a(sin⁡x+xcos⁡x). 则 x∈[0,π2] 时 g″(x)>0,故此时 g′(x) 单增.又 g′(0)=1+2a<0<g′(π2)=eπ2−π2a, 故 g′(x) 在 (0,π2) 上存在唯一零点 x0. 当 x∈[π2,π] 时显然 g″(x)>0,故 g′(x)≥g′(π2)>0.
      这样 x0 是 g(x) 的唯一极小值点.又 g(0)=0,g(π)=eπ−aπ−1>eπ+π2−1>0, 故 g(x) 存在两个零点.

    综上,−12≤a<0 时有 1 个零点,a<−12 时有两个零点.