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若函数 y=f(x) 的图象上的两个不同点处的切线互相重合,则称该切线为函数 y−f(x) 的图象的"自公切线", 称这两点为函数 y=f(x) 的图象的一对"同切点".

  1. 分别判断函数 f1(x)=sin⁡x 与 f2(x)=ln⁡x 的图象是否存在"自公切线", 并说明理由;
  2. 若 a∈R, 求证: 函数 g(x)=tan⁡x−x+a(x∈(−π2,π2)) 有唯一零点且该函数的图象不存在"自公切线";
  3. 设 n∈N∗,h(x)=tan⁡x−x+nπ(x∈(−π2,π2)) 的零点为 xn,t∈(−π2,π2), 求证: "存在 s∈(2π,+∞),使得点 (s,sin⁡s) 与 (t,sin⁡t) 是函数 y=sin⁡x 的图象的一对 '同切点'" 的充要条件是 "t 是数列 {xn} 中的项".
解答

  1. 解 注意到 y=1 是 f1(x) 在 (π2,1),(5π2,1) 处的公切线,故 f1(x) 存在"自公切线".
    注意到 f2′(x)=1x 是个单增函数,因此不存在"自公切线".

  2. 证明 由于 g′(x)=1cos2⁡x−1=tan2⁡x≥0, 故 g(x) 在定义域上单增. 由于 y=tan⁡x 在 (−π2,π2) 上的值域为 (−∞,+∞), 故 ∃x1,x2:tan⁡x1<−π2−a,tan⁡x2>π2−a. 因此 g(x1)<−πa−x1<0,g(x2)>π2−x2>0, 也即 g(x) 在 (x1,x2) 上存在唯一零点.
    容易写出,y=g(x) 在 (x0,g(x0)) 处的切线方程为Y=tan2⁡x0x+tan⁡x0−x0+a−x0tan2⁡x0.
    如果 (m,g(m)),(n,g(n)) 是一对 "同切点", 则{tan2⁡m=tan2⁡n,tan⁡m−m+a−mtan2⁡m=tan⁡n−n+a−ntan2⁡n.
    前者推出 m=−n. 不妨设 m>0, 则后者推出 tan⁡m−m−mtan2⁡m=0.
    但是只要我略加放缩:0<tan⁡m−sin⁡m−sin⁡mtan2⁡m=sin⁡m(1cos⁡m−1−sin2⁡mcos2⁡m)=sin⁡m⋅cos⁡m−1cos2⁡m≤0,
    便可得到矛盾 (0<0). 进而不存在 "自公切线".

  3. 证明 必要性 当 (s,sin⁡s),(t,sin⁡t) 是 y=sin⁡x 的"同切点", 则{cos⁡s=cos⁡t≠0,sin⁡s−scos⁡s=sin⁡t−tcos⁡t⇒tan⁡s−s=tan⁡t−t.
    根据 cos⁡s=cos⁡t, 可得 sin2⁡s=sin2⁡t. 如果 sin⁡s=sin⁡t, 则 (s−t)cos⁡t=0, 但 cos⁡t≠0,s≠t, 舍去,故 sin⁡s=−sin⁡t.这样0=cos⁡s−cos⁡t=−2sin⁡s+t2cos⁡s−t2,0=sin⁡s+sin⁡t=2sin⁡s+t2cos⁡s−t2.
    用反证法容易证明,只有sin⁡s+t2=0⇒s+t=2kπ,k∈N∗. 在tan⁡s−s=tan⁡t−t中消去s,整理得tan⁡t−t+kπ=0⇒t=xk.

    充分性 设 t=xk,k∈N∗. 由于此时 h(0)=kπ>0,h′(x)>0, 故 xk=t<0.直接取 s=2kπ−t>2kπ≥2π, 则 cos⁡s=cos⁡(2kπ−t)=cos⁡t,(sin⁡s−scos⁡s)−(sin⁡t−tcos⁡t)=−2sin⁡t+2(t−kπ)cos⁡t=2cos⁡t(t−kπ−tan⁡t)=0,
    也即s>2π, 且(s,sin⁡s),(t,sin⁡t)是"同切点".

    综上,结论得证!