已知函数f(x)=ex−1f(x)={{e}^{x}}-1,g(x)=sin⁡x(1)g(x)=\sin x(1)判断F(x)=f(x)−g(x)F(x)=f(x)-g(x)在x∈[0,+∞)x\in[0,+\infty)上零点的个数; (2)当x∈[0,π]x\in[0,\pi]时,f(x)⩾ag(x)(a∈R)f(x)\geqslant ag(x)(a\in R)恒成立,求实数aa的取值范围.

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完整解法

(1)

1. 将 $F(x)$ 显式写出并对其求导

已知 f(x)=ex−1f(x)=e^x-1,g(x)=sin⁡xg(x)=\sin x,则
F(x)=f(x)−g(x)=ex−1−sin⁡xF(x) = f(x) - g(x) = e^x - 1 - \sin x
对其求导可得:
F′(x)=ex−cos⁡xF'(x) = e^x - \cos x

2. 分析 $F'(x)$ 的符号判断 $F(x)$ 的单调性

当 x=0x=0 时,F(0)=e0−1−sin⁡0=0F(0) = e^0 - 1 - \sin 0 = 0。
当 x>0x > 0 时,由于 ex>1e^x > 1 且 cos⁡x⩽1\cos x \leqslant 1,故
F′(x)=ex−cos⁡x>1−1=0F'(x) = e^x - \cos x > 1 - 1 = 0
因此,F(x)F(x) 在 [0,+∞)[0, +\infty) 上单调递增。

3. 得出 $F(x)$ 零点个数的结论

因为 F(0)=0F(0) = 0 且 F(x)F(x) 在 [0,+∞)[0, +\infty) 上严格单调递增,所以对任意 x>0x > 0 都有 F(x)>0F(x) > 0。
故 F(x)F(x) 在 x∈[0,+∞)x\in[0,+\infty) 上有且仅有 11 个零点(即 x=0x=0)。

答案

F(x)F(x) 在 x∈[0,+∞)x\in[0,+\infty) 上的零点个数为 11 个(即 x=0x=0)。

(2)

1. 分离参数 $a$ 并进行分类讨论

由题意,当 x∈[0,π]x\in[0,\pi] 时,ex−1⩾asin⁡xe^x - 1 \geqslant a \sin x 恒成立。
① 当 x=0x=0 或 x=πx=\pi 时,sin⁡x=0\sin x = 0,ex−1⩾0e^x - 1 \geqslant 0 恒成立,此时 a∈Ra \in \mathbb{R}。
② 当 x∈(0,π)x\in(0,\pi) 时,sin⁡x>0\sin x > 0,不等式可变形为:
a⩽ex−1sin⁡xa \leqslant \frac{e^x - 1}{\sin x}

2. 构造辅助函数 $h(x)$ 并求导

设 h(x)=ex−1sin⁡xh(x) = \dfrac{e^x - 1}{\sin x}(x∈(0,π)x\in(0,\pi)),对其求导得:
h′(x)=exsin⁡x−(ex−1)cos⁡xsin⁡2x=ex(sin⁡x−cos⁡x)+cos⁡xsin⁡2xh'(x) = \frac{e^x \sin x - (e^x - 1)\cos x}{\sin^2 x} = \frac{e^x(\sin x - \cos x) + \cos x}{\sin^2 x}
设分子函数 ϕ(x)=ex(sin⁡x−cos⁡x)+cos⁡x\phi(x) = e^x(\sin x - \cos x) + \cos x(x∈[0,π)x\in[0,\pi))。

3. 判断 $\phi(x)$ 及 $h(x)$ 的单调性

对 ϕ(x)\phi(x) 求导:
ϕ′(x)=ex(sin⁡x−cos⁡x)+ex(cos⁡x+sin⁡x)−sin⁡x=2exsin⁡x−sin⁡x=sin⁡x(2ex−1)\phi'(x) = e^x(\sin x - \cos x) + e^x(\cos x + \sin x) - \sin x = 2e^x \sin x - \sin x = \sin x(2e^x - 1)
当 x∈(0,π)x\in(0,\pi) 时,sin⁡x>0\sin x > 0,且 ex>1  ⟹  2ex−1>1>0e^x > 1 \implies 2e^x - 1 > 1 > 0,故 ϕ′(x)>0\phi'(x) > 0。
因此 ϕ(x)\phi(x) 在 (0,π)(0,\pi) 上单调递增。
又因为 ϕ(0)=e0(0−1)+1=0\phi(0) = e^0(0 - 1) + 1 = 0,所以对任意 x∈(0,π)x\in(0,\pi),都有 ϕ(x)>ϕ(0)=0\phi(x) > \phi(0) = 0。
由此可得 h′(x)=ϕ(x)sin⁡2x>0h'(x) = \dfrac{\phi(x)}{\sin^2 x} > 0,故 h(x)h(x) 在 (0,π)(0,\pi) 上单调递增。

4. 求 $h(x)$ 的下极限并得出 $a$ 的取值范围

因为 h(x)h(x) 在 (0,π)(0,\pi) 上单调递增,所以
lim⁡x→0+h(x)=lim⁡x→0+ex−1sin⁡x=lim⁡x→0+excos⁡x=1\lim_{x\to 0^+} h(x) = \lim_{x\to 0^+} \frac{e^x - 1}{\sin x} = \lim_{x\to 0^+} \frac{e^x}{\cos x} = 1
要使 a⩽h(x)a \leqslant h(x) 对任意 x∈(0,π)x\in(0,\pi) 恒成立,只需 a⩽lim⁡x→0+h(x)=1a \leqslant \lim_{x\to 0^+} h(x) = 1。
综上所述,实数 aa 的取值范围是 (−∞,1](-\infty, 1]。

答案

实数 aa 的取值范围是 (−∞,1](-\infty, 1]。

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