问题 解答题
设函数f(x)的图象是由函数g(x)=cos2x+
3
sinxcosx-
1
2
的图象经下列两个步骤变换得到:
(1)将函数g(x)的图象向右平移
π
12
个单位,并将横坐标伸长到原来的2倍(纵坐标不变),得到函数h(x)的图象;
(2)将函数h(x)的图象上各点的纵坐标缩短为原来的m(0<m<
1
2
)
倍(横坐标不变),并将图象向上平移1个单位,得到函数f(x)的图象.
(Ⅰ)求f(x)的表达式;
(Ⅱ)判断方程f(x)=x的实根的个数,证明你的结论;
(Ⅲ)设数列{an}满足a1=0,an+1=f(an),试探究数列{an}的单调性,并加以证明.
答案

(Ⅰ)g(x)=cos2x+

3
sinxcosx-
1
2
=
1+cos2x
2
+
3
2
sin2x-
1
2
…(2分)

=

1
2
cos2x+
3
2
sin2x=sin(2x+
π
6
)…(3分)

∴函数g(x)的图象向右平移

π
12
个单位,得g(x+
π
12
)=sin2x,

再将横坐标伸长到原来的2倍(纵坐标不变),得h(x)=sinx,…(4分)

再将函数h(x)的图象上各点的纵坐标缩短为原来的m(0<m<

1
2
)倍(横坐标不变),

并将图象向上平移1个单位,得f(x)=msinx+1.…(5分)

(Ⅱ)方程f(x)=x有且只有一个实根.…(6分)

理由如下:

由(Ⅰ)知f(x)=msinx+1,令F(x)=f(x)-x=msinx-x+1,

因为F(0)=1>0,结合0<m<

1
2
,得F(
π
2
)=m-
π
2
+1<
3
2
-
π
2
<0

所以F(x)=0在(0,

π
2
)至少有一个根.…(7分)

又因为F(x)=mcosx-1<m-1<-

1
2
<0,

所以函数F(x)在R上单调递减,

因此函数F(x)在R上有且只有一个零点,即方程f(x)=x有且只有一个实根.…(9分)

(Ⅲ)因为a1=0,an+1=f(an)=msinan+1,所以a2=1>a1

又a3=msin1+1,因为0<1<

π
2
,所以0<sin1<1,所以a3>1=a2

由此猜测an>an-1(n≥2),即数列{an}是单调递增数列.…(11分)

以下用数学归纳法证明:n∈N,且n≥2时,an>an-1≥0成立.

(1)当n=2时,a2=1,a1=0,显然有a2>a1≥0成立.

(2)假设n=k(k≥2)时,命题成立,即ak>ak-1≥0(k≥2).…(12分)

则n=k+1时,ak+1=f(ak)=msinak+1,

因为0<m<

1
2
,所以ak=f(ak-1)=msinak-1+1<m+1<
1
2
+1<
π
2

又sinx在(0,

π
2
)上单调递增,0≤ak-1ak
π
2

所以sinak>sinak-1≥0,所以msinak+1>msinak-1+1,

即sinak+1>msinak-1+1=f(ak-1)=ak≥0,

即n=k+1时,命题成立.…(13分)

综合(1),(2),n∈N,且n≥2时,an>an-1成立.

故数列{an}为单调递增数列.…(14分)

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