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36函数与初等函数★★★★☆
对于函数 f(x)f(x),g(x)g(x),若存在函数 h(x)h(x),使得 f(x)=g(x)⋅h(x)f(x)=g(x)\cdot h(x),则称 f(x)f(x) 是 g(x)g(x) 的“h(x)h(x) 关联函数”.
(1) 已知 f(x)=sin⁡xf(x)=\sin x, g(x)=cos⁡xg(x)=\cos x,是否存在定义域为 R\mathbf{R} 的函数 h(x)h(x),使得 f(x)f(x) 是 g(x)g(x) 的“h(x)h(x) 关联函数”?若存在,写出 h(x)h(x) 的解析式;若不存在,说明理由; (2) 已知函数 f(x)f(x), g(x)g(x) 的定义域为 [1,+∞)[1,+\infty),当 x∈[n,n+1)x\in[n,n+1),(n∈N∗n\in\mathbf{N}^*)时, f(x)=2n−1sin⁡xn−1f(x)=2^{n-1}\sin\frac{x}{n}-1,若存在函数 h1(x)h_1(x) 及 h2(x)h_2(x),使得 f(x)f(x) 是 g(x)g(x) 的“h1(x)h_1(x) 关联函数”,且 g(x)g(x) 是 f(x)f(x) 的“h2(x)h_2(x) 关联函数”,求方程 g(x)=0g(x)=0 的解.
\begin{solution} \begin{enumerate} \item 若存在定义域为 R\mathbf{R} 的函数 hh,则必须有 sin⁡x=cos⁡x⋅h(x)\sin x=\cos x\cdot h(x) 对所有 x∈Rx\in\mathbf{R} 成立. 当 x=π2x=\frac\pi2 时,sin⁡x=1\sin x=1 而 cos⁡x=0\cos x=0,等式变为 1=0⋅h(π2)=01=0\cdot h\left(\frac\pi2\right)=0,矛盾. 所以不存在这样的函数 h(x)h(x).
\item 由 f(x)=g(x)h1(x)f(x)=g(x)h_1(x) 和 g(x)=f(x)h2(x)g(x)=f(x)h_2(x),可知 f(x)=0f(x)=0 与 g(x)=0g(x)=0 互相推出,所以二者的零点集合相同. 只需求出 f(x)=0f(x)=0 的解.
当 n=1n=1 时,x∈[1,2)x\in[1,2),方程为 sin⁡x=1\sin x=1,所以 x=π2x=\frac\pi2,且 π2∈[1,2)\frac\pi2\in[1,2).
当 n≥2n\geq2 时,x∈[n,n+1)x\in[n,n+1) 蕴含 1≤xn<1+1n≤32<π21\leq\frac{x}{n}<1+\frac1n\leq\frac32<\frac\pi2. 又因 1>π61>\frac\pi6,且正弦函数在 [0,π2]\left[0,\frac\pi2\right] 上单调递增,所以 sin⁡xn≥sin⁡1>sin⁡π6=12\sin\frac{x}{n}\geq\sin1>\sin\frac\pi6=\frac12,而 21−n≤122^{1-n}\leq\frac12,方程 2n−1sin⁡xn−1=02^{n-1}\sin\frac{x}{n}-1=0,即 sin⁡xn=21−n\sin\frac{x}{n}=2^{1-n},不可能成立. 所以 f(x)=0f(x)=0 的解集为 {π2}\left\{\frac\pi2\right\},从而 g(x)=0g(x)=0 的解也是 x=π2x=\frac\pi2. \end{enumerate} \end{solution}

2015 · 上海 · 春季 · 第 36 题 · 解答题

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