问题 解答题
已知函数f(x)=sin(wx+φ)(w>0,0<φ<π)的周期为π,图象的一个对称中心为(
π
4
,0),将函数f(x)图象上所有点的横坐标伸长到原来的2倍(纵坐标不变),再将得到的图象向右平移个
π
2
单位长度后得到函数g(x)的图象.
(1)求函数f(x)与g(x)的解析式
(2)是否存在x0∈(
π
6
π
4
),使得f(x0),g(x0),f(x0)g(x0)按照某种顺序成等差数列?若存在,请确定x0的个数,若不存在,说明理由;
(3)求实数a与正整数n,使得F(x)=f(x)+ag(x)在(0,nπ)内恰有2013个零点.
答案

(1)∵函数f(x)=sin(ωx+φ)(ω>0,0<φ<π)的周期为π,

∴ω=

T
=2,

又曲线y=f(x)的一个对称中心为(

π
4
,0),φ∈(0,π),

故f(

π
4
)=sin(2×
π
4
+φ)=0,得φ=
π
2
,所以f(x)=cos2x.

将函数f(x)图象上所有点的横坐标伸长到原来的2倍(纵坐标不变)后可得y=cosx的图象,

再将y=cosx的图象向右平移

π
2
个单位长度后得到函数g(x)=cos(x-
π
2
)的图象,

∴g(x)=sinx.

(2)当x∈(

π
6
π
4
)时,
1
2
<sinx<
2
2
,0<cosx<
1
2

∴sinx>cos2x>sinxcos2x,

问题转化为方程2cos2x=sinx+sinxcos2x在(

π
6
π
4
)内是否有解.

设G(x)=sinx+sinxcos2x-cos2x,x∈(

π
6
π
4
),

则G′(x)=cosx+cosxcos2x+2sin2x(2-sinx),

∵x∈(

π
6
π
4
),

∴G′(x)>0,G(x)在(

π
6
π
4
)内单调递增,

又G(

π
6
)=-
1
4
<0,G(
π
4
)=
2
2
>0,且G(x)的图象连续不断,故可知函数G(x)在(
π
6
π
4
)内存在唯一零点x0,即存在唯一零点x0∈(
π
6
π
4
)满足题意.

(3)依题意,F(x)=asinx+cos2x,令F(x)=asinx+cos2x=0,

当sinx=0,即x=kπ(k∈Z)时,cos2x=1,从而x=kπ(k∈Z)不是方程F(x)=0的解,

∴方程F(x)=0等价于关于x的方程a=-

cos2x
sinx
,x≠kπ(k∈Z).

现研究x∈(0,π)∪(π,2π)时方程a=-

cos2x
sinx
的解的情况.

令h(x)=-

cos2x
sinx
,x∈(0,π)∪(π,2π),

则问题转化为研究直线y=a与曲线y=h(x),x∈(0,π)∪(π,2π)的交点情况.

h′(x)=

cosx(2sin2x+1)
sin2x
,令h′(x)=0,得x=
π
2
或x=
2

当x变换时,h′(x),h(x)的变化情况如下表:

x(0,
π
2
π
2
π
2
,π)
(π,
2
2
2
,2π)
h′(x)+0--0+
h(x)1-1
当x>0且x趋近于0时,h(x)趋向于-∞,

当x<π且x趋近于π时,h(x)趋向于-∞,

当x>π且x趋近于π时,h(x)趋向于+∞,

当x<2π且x趋近于2π时,h(x)趋向于+∞,

故当a>1时,直线y=a与曲线y=h(x)在(0,π)内无交点,在(π,2π)内有2个交点;

当a<-1时,直线y=a与曲线y=h(x)在(0,π)内有2个交点,在(π,2π)内无交点;

当-1<a<1时,直线y=a与曲线y=h(x)在(0,π)内有2个交点,在(π,2π)内有2个交点;

由函数h(x)的周期性,可知当a≠±1时,直线y=a与曲线y=h(x)在(0,nπ)内总有偶数个交点,从而不存在正整数n,使得直线y=a与曲线y=h(x)在(0,nπ)内恰有2013个零点;

又当a=1或a=-1时,直线y=a与曲线y=h(x)在(0,π)∪(π,2π)内有3个交点,由周期性,2013=3×671,

∴依题意得n=671×2=1342.

综上,当a=1,n=1342,或a=-1,n=1342时,函数F(x)=f(x)+ag(x)在(0,nπ)内恰有2013个零点.

单项选择题
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