每日一题[844]抓住分界点

若对任意锐角$x$,均有$\sin x+\tan x-2x>mx^2$,求实数$m$的取值范围.


cover

正确答案是$(-\infty,0]$.

考虑函数$f(x)=\sin x+\tan x-2x-mx^2$,则其导函数\[f'(x)=\cos x+\dfrac{1}{\cos^2x}-2-2mx,\]其二阶导函数\[f''(x)=-\sin x+\dfrac{2\sin x}{\cos^3x}-2m,\]因此$f(0)=f'(0)=0$,$f''(0)=-2m$,得到$m$的讨论分界点为$0$.

情形一 $m\leqslant 0$.此时$f(x)\geqslant \sin x+\tan x-2x$,设右侧函数为$\varphi(x)$,则其导函数\[\varphi'(x)=\cos x+\dfrac{1}{\cos^2x}-2.\]当$x\in\left(0,\dfrac{\pi}2\right)$时,$\varphi(x)$单调递增,因此$\varphi(x)>\varphi(0)=0$,符合题意.

情形二 $m>0$.此时$f''(0)=-2m<0$,结合当$x\in\left(0,\dfrac{\pi}2\right)$时$f''(x)$单调递增(因为$f'''(x)=\dfrac {2-\cos^5 x+4\sin^2 x}{\cos^4 x}>0$),且\[{x\to \left({\frac{\pi}2}\right)^-},f''(x)\to +\infty,\]于是$f''(x)$在$\left(0,\dfrac{\pi}2\right)$上有零点,设为$a$.

在$(0,a)$上,$f'(x)$单调递减,结合$f'(0)=0$,可得在$(0,a)$上,$f(x)$单调递减,又$f(0)=0$,因此在$(0,a)$上,$f(x)<0$,不符合题意.

综上所述,实数$m$的取值范围是$(-\infty,0]$.

此条目发表在每日一题分类目录,贴了标签。将固定链接加入收藏夹。

发表回复