本题导读
本题为全卷的压轴大题,核心考查导数在解析超越函数极值点中的应用。第一问直接利用正弦周期性化简;第二问通过极值点导数为 0 建立三角恒等关系消除三角函数项;第三问将极值点的位置转化为 与 的交点横坐标,并通过精细的单调性区间分析和诱导公式完成不等式的严格证明。
📌【题干】
Question
(2005年天津卷(理)) 设函数 ().
(1) 证明 ,其中 为整数;
(2) 设 为 的一个极值点,证明 ;
(3) 设 在 内的全部极值点按从小到大的顺序排列 ,证明 ().
🔍【思路分析】
破题导航
- 第一问:直接代入 并利用 的周期性即可完成证明。
- 第二问:对 求导,令 建立 ,再结合 消去三角项,解出 后代入 。
- 第三问:将极值点方程化为 ,把极值点视为 与 的交点横坐标;先由各单调区间夹逼出 ,再利用同一单调区间内的同向性证出 。
✅【答案】
Success
原不等式 成立
✍【详细解析】
Abstract
(1)证明
将 代入待证等式左边展开: 根据正弦函数的周期性,对任意整数 ,恒有 。代入上式得: 左边等于右边,原等式成立。
(2)证明
对 求导得: 因为 是 的一个极值点,所以 必然满足方程 ,即: 两边平方得: 利用三角恒等式 代入化简:
根据已知定义, 。将上面求得的 代入: 原式得证。
(3)证明
由(2)可知, 在 内的极值点均满足方程 。 若 ,则 ,此时 ,方程显然不成立。 故必有 。两边同除以 ,可将极值点方程等价转化为: 因此,正极值点序列 几何上对应于函数 的图象与直线 在第一象限()内所有交点的横坐标。
根据正切函数 的图象性质,其渐近线为 ()。 在每个独立开区间 () 内, 严格单调递增,且值域为 。 而直线 严格单调递减。根据零点存在性与唯一性,每个区间 内有且仅有一个交点。 由于当 时, ,所以交点必然落在正切值为负的第二象限对应区间内,即: 同理,第 个极值点满足:
由 ① 式变形可得: 将 ② 式与 ③ 式两端分别相加,可得差值的初步范围: 至此,左半部分不等式 已得到证明。
下面证明右半部分严格上界 : 因为 和 是方程 的根,所以: 因为极值点按从小到大排列,显然有 。 由此可得: 利用正切函数的周期性诱导公式 ,上式可变形为:
根据前面的区间定位: 由 ① 知: 由 ② 知: 这说明自变量 与 共同属于同一个正切函数的单调递增区间 。 根据正切函数在单调区间内的同向性,由 直接推导自变量的大小关系:
综上所述,原不等式 成立。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:三角复合函数求导、极值点的导数零点性质、超越方程 的根的区间隔离、利用单调区间脱去三角符号。
- 避坑指南:证明第三问的右侧边界 是极易丢分的难点。很多学生在两式相加得到 后便无法继续缩减边界。必须敏锐地利用原方程的代数结构转换成 ,并严格阐明**“两者属于同一个单调递增区间”**这一关键前提,才能够安全地脱去外层正切符号 ,从而严密地推导出结论。
📖【试题探源与推广】
Tip
变式练习:将参数置于区间端点或极值点,讨论单调区间的划分与最值取到的位置,强化导数符号分析。
🔗【关联脉络】
Multi column