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已知 a>0, 函数 f(x)=axsinx+cosax1,0<x<π4.

  1. a=2, 证明: f(x)>0;
  2. f(x)>0, 求 a 的取值范围;
  3. 设集合 P={An|An=k=1ncosπ2k(k+1),nN}, 对于正整数 m, 集合 Qm={x|m<x<2m}, 记 PQm 中元素的个数为 bm,求数列 {bm} 的通项公式.
解答

  1. 证明 [1]a=2, 有 f(x)=2xsinx2sin2x=2sinx(xsinx)>0.

    • 0<a2, 则 f(x)=axsinx2sin2ax2axsinx2sinax2ax2=ax(sinxsinax2)0.
      (这里第一个放缩由0<ax2x<π2保证)
    • a>2, f(x)<ax2+cosax1=g(x), 则 g(x)=a(2xsinax),g(x)=a(2acosax),g(0)=a(2a)<0, 这说明 g(x) 在某个 (0,δ) 上单减,进而 f(δ)<g(δ)<g(0)=0, 矛盾.

    综上,0<a2.

  2. 一方面 an<n. 另一方面对 cosπ2k(k+1)=cos2k(k+1)π4 应用 2 的不等式,有an=22+k=2ncosπ2k(k+1)>22+(n1)22k=2nπ2k(k+1)=n1+22(1π4+π2(n+1))>n1,n2,
    而容易验证0<a1<1, 因此nN:n1<an<n, 从而PQm={am+1,,a2m}, bm=m.


  1. 事实上可以合并入 2 的证明. ↩︎