每日一题[3080]极值判断

解答:

1、证明:当 $0<x<1$ 时,$x-x^2<\sin x<x$.

2、已知函数 $f(x)=\cos ax-\ln\left(1-x^2\right)$,若 $x=0$ 是 $f(x)$ 的极大值点,求 $a$ 的取值范围.

解析

1、设 $g(x)=x-\sin x$,则其导函数\[g'(x)=1-\cos x\geqslant 0,\]于是 $g(x)$ 在 $(0,1)$ 上单调递增,结合 $g(0)=0$,可得在该区间上 $g(x)>0$; 设 $h(x)=\sin x-(x-x^2)$,则其导函数\[g'(x)=\cos x-1+2x>2\sin x+\cos x-1=\sin x+\sqrt{1+\sin 2x}-1>0,\]于是 $h(x)$ 在 $(0,1)$ 上单调递增,结合 $h(0)=0$,可得在该区间上 $h(x)>0$.

2、函数 $f(x)$ 的导函数\[f'(x)=-a\sin (ax)+\dfrac{2x}{1-x^2},\]有 $f'(0)=0$,其二阶导函数\[f''(x)=-a^2\cos(ax)+\dfrac{2(1+x^2)}{(1-x^2)^2},\]因此 $f''(0)=2-a^2$,讨论分界点为 $|a|=\sqrt 2$.

情形一    $|a|\leqslant \sqrt 2$.此时 $f''(x)$ 在 $(0,0.1)$ 上单调递增,且 $f''(0)\geqslant 0$,因此在该区间上 $f'(x)>0$,$f(x)$ 单调递增,与 $x=0$ 是函数 $f(x)$ 的极大值点不符.

情形二     $|a|>\sqrt 2$.此时 $f''(x)$ 在 $\left(0,\min\left\{1,\dfrac{\pi}{|a|}\right\}\right)$ 上单调递增,且 $f''(0)< 0$,考虑到\[f\left(\sqrt{1-\dfrac{1}{|a|}}\right)\geqslant -a^2+2a^2>0,\]且 $f''(x)$ 是偶函数,于是函数 $f''(x)$ 在 $\left(0,\sqrt{1-\dfrac{1}{|a|}}\right)$ 上有唯一零点,设为 $x_0$,因此在区间 $(-x_0,x_0)$ 上,有 $f''(x)<0$,从而 $f'(x)$ 在 $(-x_0,0)$ 上取正值,在 $(0,x_0)$ 上取负值,此时 $f(x)$ 在 $x=0$ 的左侧单调递增,右侧单调递减,符合题意.

综上所述,$a$ 的取值范围是 $\left(-\infty,-\sqrt 2\right)\cup\left(\sqrt 2,+\infty\right)$.

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