题目内容

3.在平面直角坐标系中,已知O为坐标原点,点A的坐标为(a,b),点B的坐标为(cosωx,sinωx),其中ω>0.设f(x)=$\overrightarrow{OA}•\overrightarrow{OB}$.
(Ⅰ)记函数y=f(x)的正的零点从小到大构成数列{an}(n∈N*),当a=$\sqrt{3}$,b=1,ω=2时,求{an}的通项公式与前n项和Sn;
(Ⅱ)记函数g(x)=2x,且g(b)=g(a)•g(-2).当x∈R时,设f(x)的值域为M,不等式x2+mx<0的解集为N,若N⊆M,求实数m的最大值;
(Ⅲ)令ω=1,a=t2,b=(1-t)2,若不等式f(θ)-$\sqrt{ab}$>0对任意的t∈[0,1]恒成立,求θ的取值范围.

分析 (Ⅰ)由已知利用数量积的坐标运算得到f(x)的解析式并进行化简,得到函数y=f(x)的正的零点用k表示,由题意得到数列{an}(n∈N*)的首项和公差,然后求{an}的通项公式与前n项和Sn;
(Ⅱ)由题意分别表示出f(x)的值域以及不等式的解集,利用N⊆M,列出不等式解得实数m的最大值;
(Ⅲ)由题意得到f(θ)-$\sqrt{ab}$>0,进一步得到关于θ的不等式恒成立,找到等价条件化简.

解答 解:(Ⅰ)由题得$f(x)=\overrightarrow{OA}•\overrightarrow{OB}=acosωx+bsinωx$=$\sqrt{3}cos2x+sin2x$=$2sin(2x+\frac{π}{3})$.…(1分)
由$2sin(2x+\frac{π}{3})=0⇒2x+\frac{π}{3}=kπ⇒{x_k}=-\frac{π}{6}+\frac{kπ}{2},k∈Z$.…(2分)
当k=1时${x_1}=-\frac{π}{6}+\frac{π}{2}=\frac{π}{3}>0$,且${x_{k+1}}-{x_k}=\frac{π}{2}$(常数),
∴{an}为首项是${a_1}=\frac{π}{3}$,公差为$\frac{π}{2}$的等差数列.
∴${a_n}=-\frac{π}{6}+\frac{nπ}{2},n∈{N^*}$.…(3分)
∴${S_n}=\frac{{({a_1}+{a_n})n}}{2}=\frac{{(\frac{π}{3}-\frac{π}{6}+\frac{nπ}{2})n}}{2}=(\frac{π}{12}+\frac{nπ}{4})n=\frac{π}{4}{n^2}+\frac{π}{12}n,n∈{N^*}$.…(4分)
(Ⅱ) 由g(a)=g(b)+g(-2)得2a=2b×2-2⇒2a=2b-2⇒b=a+2.…(5分)
∵$f(x)=acosωx+bsinωx=\sqrt{{{(a+2)}^2}+{a^2}}sin(ωx+φ)$,
∴f(x)的值域为$M=[{-\sqrt{{{(a+2)}^2}+{a^2}},\sqrt{{{(a+2)}^2}+{a^2}}}]$.…(6分)
∵x2+mx=0的解为0或-m,∴N=[-m,0]或N=[0,-m].
∴要使得N⊆M,须$-m∈[{-\sqrt{{{(a+2)}^2}+{a^2}},\sqrt{{{(a+2)}^2}+{a^2}}}]$.…(7分)
∵$\sqrt{{{(a+2)}^2}+{a^2}}=\sqrt{2{{(a+1)}^2}+2}≥\sqrt{2}$,∴$M=[{-\sqrt{2},\sqrt{2}}]$.
∴$-\sqrt{2}≤-m≤\sqrt{2}$,即$-\sqrt{2}≤m≤\sqrt{2}$.
∴实数m的最大值为$\sqrt{2}$.…(8分)
(Ⅲ)由题得$f(θ)-\sqrt{ab}$=t2cosθ+(1-t)2sinθ-t(1-t)=(1+sinθ+cosθ)t2-(2sinθ+1)t+sinθ
∴题意等价于(1+sinθ+cosθ)t2-(2sinθ+1)t+sinθ>0对任意的t∈[0,1]恒成立.
令t=0,t=1,得sinθ>0,cosθ>0.…(9分)
∵1+2sinθ<2+2sinθ+2cosθ,
∴对称轴$t=\frac{1+2sinθ}{2+2sinθ+2cosθ}<1$恒成立.
∴对称轴落在区间(0,1)内.…(10分)
∴题意等价于$\left\{\begin{array}{l}sinθ>0\\ cosθ>0\\△={(2sinθ+1)^2}-4(1+sinθ+cosθ)sinθ<0\end{array}\right.$,得$\left\{\begin{array}{l}sinθ>0\\ cosθ>0\\ sin2θ>\frac{1}{2}\end{array}\right.$.…(11分)
$⇒\left\{\begin{array}{l}2{k_1}π<θ<π+2{k_1}π,{k_1}∈z\\-\frac{π}{2}+2{k_2}π<θ<\frac{π}{2}+2{k_2}π,{k_2}∈z\\ \frac{π}{12}+{k_3}π<θ<\frac{5π}{12}+{k_3}π,{k_3}∈z\end{array}\right.$$⇒\frac{π}{12}+2{k_3}π<θ<\frac{5π}{12}+2{k_3}π,{k_3}∈z$.
∴θ的取值范围是$[{\frac{π}{12}+2kπ,\frac{5π}{12}+2kπ}],k∈z$.…(12分)

点评 本题考查了平面向量数量积的运算等差数列的通项,前n项和的求法以及关于三角函数的不等式恒成立问题;属于难题.

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