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设 a∈R, 函数 f(x)=sin2⁡x−cos⁡x−a,x∈(π2,π).

  1. 讨论函数 f(x) 的零点个数;
  2. 若函数 f(x) 有两个零点 x1,x2, 试证明: 11−tan⁡x1tan⁡x2≤tan⁡x1tan⁡x2−3.
解答

  1. 解 f(x)=0⟺cos2⁡x+cos⁡x+(a−1)=0. 由于 cos⁡x 关于 x 在 (π2,π) 上单减,故问题等价于 t2+t+a−1=(t+12)2+a−54=0 在 t∈[−1,0] 上的零点个数. 容易知道,在 a≤1 或 a>54 时有 0 个零点,在 a=54 时有 1 个零点,在 1<a<54 时有 2 个零点.

  2. 证明 由题意,cos2⁡xi+cos⁡xi+(a−1)=0,i=1,2.因此 cos⁡x1,cos⁡x2 是关于 x 的方程 x2+x+(a−1)=0 的两个解.由韦达定理,cos⁡x1+cos⁡x2=−1.

    首先证明:tan⁡x1tan⁡x2>1.事实上如果 x1,x2∈(π2,π),则 tan⁡x1tan⁡x2>1⇐sin⁡x1sin⁡x2>cos⁡x1cos⁡x2⇐(1−cos2⁡x1)(1−cos2⁡x2)>cos2⁡x1cos2⁡x2⇐1−cos2⁡x1−cos2⁡x2=1−(cos⁡x1+cos⁡x2)2+2cos⁡x1cos⁡x2=2cos⁡x1cos⁡x2>0,

    因此,记 tan⁡x1tan⁡x2=t>1,有 11−t−(t−3)=(t−2)21−t≤0, 从而原不等式得证.