每日一题[3167]分段处理

已知函数 $f(x)=\mathrm{e}^x-a x \sin x-b x+c$ 的图象与 $x$ 轴相切于原点.

1、求 $b, c$ 的值.

2、若 $f(x)$ 在 $(0, \pi)$ 上有唯一零点,求实数 $a$ 的取值范围.

解析

1、根据题意,函数 $f(x)$ 的导函数\[f'(x)={\rm e}^x-a\sin x-ax\cos x-b,\]由其图象与 $x$ 轴相切于原点,有\[\begin{cases} f(0)=0,\\ f'(0)=0,\end{cases}\iff \begin{cases} 1+c=0,\\ 1-b=0,\end{cases}\iff \begin{cases} b=1,\\ c=-1.\end{cases}\]

2、根据题意,有 $f'(x)={\rm e}^x-a(\sin x+x\cos x)-1$,于是\[f''(x)={\rm e}^x-a(2\cos x-x\sin x),\]从而 $f''(0)=1-2a$,讨论分界点为 $a=\dfrac 12$.

情形一     $a\leqslant \dfrac 12$.

当 $a\leqslant 0$ 时,在 $x\in (0,\pi)$ 上,有\[f(x)={\rm e}^x-ax\sin x-x\geqslant {\rm e}^x-x\geqslant 1,\]函数 $f(x)$ 没有零点,不符合题意.

当 $0<a\leqslant \dfrac 12$ 时,在 $x\in (0,\pi)$ 上,有\[f'(x)={\rm e}^x-2a\cos x+ax\sin x\geqslant {\rm e}^x-2a\cos x>1-2a>0,\]因此 $f(x)$ 单调递增,结合 $f(0)=0$,不符合题意.

情形二     $a>\dfrac 12$.此时在 $x\in\left(0,\dfrac{\pi}2\right)$ 上,有 $f''(x)$ 单调递增,而\[f''(0)=1-2a<0,\quad f''\left(\dfrac{\pi}2\right)={\rm e}^{\frac{\pi}2}+\dfrac{\pi}2a>0,\]从而 $f''(x)$ 在该区间上有唯一零点,设为 $x_0$,而当 $x\in\left(\dfrac{\pi}2,\pi\right)$ 时,有\[f''(x)\geqslant {\rm e}^x-2a\cos x>0,\]因此 $f'(x)$ 在 $(0,x_0)$ 上单调递减,在 $\left(x_0,\pi\right)$ 上单调递增,结合\[f'(0)=0,\quad f'(\pi)={\rm e}^x+a\pi>0,\]从而 $f(x)$ 在 $(0,\pi)$ 上先单调递减再单调递增,又\[f(0)=0,\quad f(\pi)={\rm e}^{\pi}-\pi>0,\]因此 $f(x)$ 在 $(0, \pi)$ 上有唯一零点,符合题意.

综上所述,实数 $a$ 的取值范围是 $\left(\dfrac 12,+\infty\right)$.

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