题目内容

设函数fn( θ )=sinnθ+( -1 )ncosnθ,0≤θ≤
π
4
,其中n为正整数.
(Ⅰ)判断函数f1(θ)、f3(θ)的单调性,并就f1(θ)的情形证明你的结论;
(Ⅱ)证明:2f6(θ)-f4(θ)=(cos4θ-sin4θ)(cos2θ-sin2θ);
(Ⅲ)试给出求函数fn(θ)的最大值和最小值及取得最值时θ的取值的一般规律(不要求给出证明).
fn(θ) fn(θ)的
单调性
fn(θ)的最小值及取得最小值时θ的取值 fn(θ)的最大值及取得最大值时θ的取值
n=1
n=2
n=3
n=4
n=5
n=6
分析:(1)设 θ1<θ2,θ1、θ2∈[0,
π
4
],根据三角函数的特点判断f1(θ1)-f1(θ2)=(sinθ1-sinθ2)+(cosθ2-cosθ1)<0,从而得出结论;
(2)首先利用余弦的二倍角公式化简原式的左边等于cos22θ,同理原式右边也等于cos22θ,从而证明结论.
(3)当n=1时,f1(θ)在[0,
π
4
]上单调递增,求出最值;当n=3时,f3(θ)在[0,
π
4
]上为单调递增,求出最值;
正奇数n≥5的情形,首先根据定义判断出函数的单调递增,从而得出fn(θ)的最大值为fn(
π
4
)
=0,最小值为fn(0)=-1.
解答:解:(Ⅰ)f1(θ)、f3(θ)在[ 0,  
π
4
 ]
上均为单调递增的函数.…(1分)
设 θ1<θ2,θ1、θ2∈[0,
π
4
],则sinθ1<sinθ2,cosθ2<cosθ1,
∴f1(θ1)-f1(θ2)=(sinθ1-sinθ2)+(cosθ2-cosθ1)<0,
∴f1(θ1)<f1(θ2),
∴函数f1(θ)在[ 0,  
π
4
 ]
上单调递增;
同理f3(θ1)-f3(θ2)=(sin3θ1-sin3θ2)+(cos3θ2-cos3θ1)<0,
∴f3(θ1)<f3(θ2),
∴函数f3(θ)在[ 0,  
π
4
 ]
上单调递增;…(3分)
(Ⅱ)∵原式左边=2(sin6θ+cos6θ)-(sin4θ+cos4θ)
=2(sin2θ+cos2θ)(sin4θ-sin2θ•cos2θ+cos4θ)-(sin4θ+cos4θ)
=1-sin22θ=cos22θ.…(5分)
又∵原式右边=(cos2θ-sin2θ)2=cos22θ,
∴2f6(θ)-f4(θ)=(cos4θ-sin4θ)(cos2θ-sin2θ).…(6分)
(Ⅲ)当n=1时,函数f1(θ)在[ 0,  
π
4
 ]
上单调递增,
∴f1(θ)的最大值为f1(
π
4
)=0
,最小值为f1(0)=-1,
当n=2时,f2(θ)=1,
∴函数f2(θ)的最大、最小值均为1;
当n=3时,函数f3(θ)在[ 0,  
π
4
 ]
上为单调递增,
∴f3(θ)的最大值为f3(
π
4
)=0
,最小值为f3(0)=-1;
当n=4时,函数f4(θ)=1-
1
2
sin22θ
在[ 0,  
π
4
 ]
上单调递减,
∴f4(θ)的最大值为f4(0)=1,最小值为f4(
π
4
)=
1
2
;
下面讨论正整数n≥5的情形:
当n为奇数时,对任意θ1、θ2∈[ 0,  
π
4
 ]
且θ1<θ2,
∵fn(θ1)-fn(θ2)=(sinnθ1-sinnθ2)+(cosnθ2-cosnθ1),
以及 0≤sinθ1<sinθ2<1,0<cosθ2<cosθ1≤1,
∴sinnθ1<sinnθ2,cosnθ2<cosnθ1,从而 fn(θ1)<fn(θ2),
∴fn(θ)在[ 0,  
π
4
 ]
上为单调递增,则fn(θ)的最大值为fn(
π
4
)=0
,最小值为f4(0)=-1;
当n为偶数时,一方面有 fn(θ)=sinnθ+cosnθ≤sin2θ+cos2θ=1=fn(0),
另一方面,由于对任意正整数l≥2,有2f2l(θ)-f2l-2(θ)=(cos2l-2θ-sin2l-2θ)(cos2θ-sin2θ)≥0,
∴fn(θ)≥
1
2
fn-2(θ)≥…≥
1
2
n
2
-1
f2(θ)=
1
2
n
2
-1
=fn(
π
4
)
.
∴函数fn(θ)的最大值为fn(0)=1,最小值为fn(
π
4
)=2
(
1
2
)
n
.
综上所述,当n为奇数时,函数fn(θ)的最大值为0,最小值为-1.
当n为偶数时,函数fn(θ)的最大值为1,最小值为2
(
1
2
)
n
.…(9分)
点评:本题考查了三角函数的最值,函数单调性的判定以及同角三角函数的基本关系,一般根据定义判断函数的单调性,是难题.
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