已知a < 0,a\text{ < }0,函数f(x)=acos⁡x+1+sin⁡x+1−sin⁡xf\left(x\right)=a\cos x+\sqrt{1+\sin x}+\sqrt{1-\sin x},其中x∈[−π2,π2].(1)x{\in}\left[-\dfrac{\pi}{2},\dfrac{\pi}{2}\right].(1)设t=1+sin⁡x+1−sin⁡xt=\sqrt{1+\sin x}+\sqrt{1-\sin x},求tt的取值范围,并把f(x)f\left(x\right)表示为tt的函数g(t)g\left(t\right); (2)求函数f(x)f\left(x\right)的最大值((可以用aa表示)); (3)若对区间[-π2,π2]\text{[-}\dfrac{\pi}{2},\dfrac{\pi}{2}\text{]}内的任意x1,x2x_{1},x_{2}总有∣f(x1)−f(x2)∣⩽1|f({x}_{1})-f({x}_{2})|⩽1恒成立,求实数aa的取值范围.

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完整解法

(1)

1. 对 $t$ 进行平方计算并用 $\cos x$ 表示 $t^2$

由 t=1+sin⁡x+1−sin⁡xt = \sqrt{1+\sin x} + \sqrt{1-\sin x},对两边平方得:
t2=(1+sin⁡x)+(1−sin⁡x)+2(1+sin⁡x)(1−sin⁡x)=2+21−sin⁡2x=2+2cos⁡2xt^2 = (1+\sin x) + (1-\sin x) + 2\sqrt{(1+\sin x)(1-\sin x)} = 2 + 2\sqrt{1-\sin^2 x} = 2 + 2\sqrt{\cos^2 x}
因为 x \in \left[- rac{\pi}{2}, rac{\pi}{2} ight],所以 cos⁡x⩾0\cos x \geqslant 0,解得:
t2=2+2cos⁡xt^2 = 2 + 2\cos x

2. 确定 $t$ 的取值范围并给出 $g(t)$ 的表达式

因为 x \in \left[- rac{\pi}{2}, rac{\pi}{2} ight],所以 cos⁡x∈[0,1]\cos x \in [0, 1]。
代入得 t2=2+2cos⁡x∈[2,4]t^2 = 2 + 2\cos x \in [2, 4]。
又因为 t=1+sin⁡x+1−sin⁡x>0t = \sqrt{1+\sin x} + \sqrt{1-\sin x} > 0,所以 t∈[2,2]t \in [\sqrt{2}, 2]。
由 t2=2+2cos⁡xt^2 = 2 + 2\cos x 可得 cos⁡x=t2−22\cos x = \dfrac{t^2 - 2}{2}。
代入 f(x)f(x) 表达式得:
g(t)=a⋅t2−22+t=a2t2+t−a,t∈[2,2]g(t) = a \cdot \dfrac{t^2 - 2}{2} + t = \dfrac{a}{2}t^2 + t - a, \quad t \in [\sqrt{2}, 2]

答案

tt 的取值范围为 [2,2][\sqrt{2}, 2];g(t)=a2t2+t−ag(t) = \dfrac{a}{2}t^2 + t - a,其中 t∈[2,2]t \in [\sqrt{2}, 2]。

(2)

1. 分析二次函数 $g(t)$ 的开口方向与对称轴位置

已知 g(t)=a2t2+t−ag(t) = \dfrac{a}{2}t^2 + t - a(t∈[2,2]t \in [\sqrt{2}, 2]),且 a<0a < 0。
该二次函数开口向下,其对称轴方程为 t = -\dfrac{1}{2 \cdot rac{a}{2}} = -\dfrac{1}{a} > 0。

2. 分三种情况讨论对称轴与区间 $[\sqrt{2}, 2]$ 的位置关系并求最大值

① 当对称轴位于区间左侧,即 −1a⩽2-\dfrac{1}{a} \leqslant \sqrt{2},即 a⩽−22a \leqslant -\dfrac{\sqrt{2}}{2} 时:
g(t)g(t) 在 [2,2][\sqrt{2}, 2] 上单调递减,最大值为 g(2)=a2(2)+2−a=2g(\sqrt{2}) = \dfrac{a}{2}(2) + \sqrt{2} - a = \sqrt{2};

② 当对称轴位于区间内部,即 2<−1a<2\sqrt{2} < -\dfrac{1}{a} < 2,即 −22<a<−12-\dfrac{\sqrt{2}}{2} < a < -\dfrac{1}{2} 时:
g(t)g(t) 在顶点处取得最大值,即 g\left(-\dfrac{1}{a} ight) = \dfrac{a}{2}\left(-\dfrac{1}{a} ight)^2 + \left(-\dfrac{1}{a} ight) - a = -\dfrac{1}{2a} - a;

③ 当对称轴位于区间右侧,即 −1a⩾2-\dfrac{1}{a} \geqslant 2,即 −12⩽a<0-\dfrac{1}{2} \leqslant a < 0 时:
g(t)g(t) 在 [2,2][\sqrt{2}, 2] 上单调递增,最大值为 g(2)=a2(4)+2−a=a+2g(2) = \dfrac{a}{2}(4) + 2 - a = a + 2。

答案

f(x)max⁡={2,a⩽−22−12a−a,−22<a<−12a+2,−12⩽a<0f(x)_{\max} = \begin{cases} \sqrt{2}, & a \leqslant -\dfrac{\sqrt{2}}{2} \\[6pt] -\dfrac{1}{2a} - a, & -\dfrac{\sqrt{2}}{2} < a < -\dfrac{1}{2} \\[6pt] a + 2, & -\dfrac{1}{2} \leqslant a < 0 \end{cases}

(3)

1. 将恒成立条件转化为极差不等式

对任意 x_1, x_2 \in \left[- rac{\pi}{2}, rac{\pi}{2} ight],总有 ∣f(x1)−f(x2)∣⩽1|f(x_1) - f(x_2)| \leqslant 1 恒成立,等价于:
f(x)max⁡−f(x)min⁡⩽1f(x)_{\max} - f(x)_{\min} \leqslant 1
对于开口向下的二次函数 g(t)=a2t2+t−ag(t) = \dfrac{a}{2}t^2 + t - a(t∈[2,2]t \in [\sqrt{2}, 2]),其极小值必在端点处取得:
g(2)=2g(\sqrt{2}) = \sqrt{2},g(2)=a+2g(2) = a + 2。
比较可得:当 a+2⩽2a + 2 \leqslant \sqrt{2} 即 a⩽2−2a \leqslant \sqrt{2}-2 时,g(t)min⁡=a+2g(t)_{\min} = a+2;当 a>2−2a > \sqrt{2}-2 时,g(t)min⁡=2g(t)_{\min} = \sqrt{2}。

2. 结合第(2)问最大值分类讨论并解不等式组

结合 aa 的临界点(注:\sqrt{2}-3 < - rac{\sqrt{2}}{2} < \sqrt{2}-2 < - rac{1}{2} < 0),分段讨论:

① 当 a⩽−22a \leqslant -\dfrac{\sqrt{2}}{2} 时:g(t)max⁡=2g(t)_{\max} = \sqrt{2},且 g(t)min⁡=a+2g(t)_{\min} = a+2。
极差为 2−(a+2)⩽1  ⟹  a⩾2−3\sqrt{2} - (a+2) \leqslant 1 \implies a \geqslant \sqrt{2}-3。
故 2−3⩽a⩽−22\sqrt{2}-3 \leqslant a \leqslant -\dfrac{\sqrt{2}}{2}。

② 当 −22<a⩽2−2-\dfrac{\sqrt{2}}{2} < a \leqslant \sqrt{2}-2 时:g(t)max⁡=−12a−ag(t)_{\max} = -\dfrac{1}{2a} - a,且 g(t)min⁡=a+2g(t)_{\min} = a+2。
极差为 −12a−2a−2⩽1  ⟹  4a2+6a+1⩽0-\dfrac{1}{2a} - 2a - 2 \leqslant 1 \implies 4a^2 + 6a + 1 \leqslant 0,解得 −3−54⩽a⩽−3+54\dfrac{-3-\sqrt{5}}{4} \leqslant a \leqslant \dfrac{-3+\sqrt{5}}{4}。
由于在此区间内全成立,故此段解集为 −22<a⩽2−2-\dfrac{\sqrt{2}}{2} < a \leqslant \sqrt{2}-2。

③ 当 2−2<a<−12\sqrt{2}-2 < a < -\dfrac{1}{2} 时:g(t)max⁡=−12a−ag(t)_{\max} = -\dfrac{1}{2a} - a,且 g(t)min⁡=2g(t)_{\min} = \sqrt{2}。
极差为 −12a−a−2⩽1  ⟹  2a2+2(1+2)a+1⩽0-\dfrac{1}{2a} - a - \sqrt{2} \leqslant 1 \implies 2a^2 + 2(1+\sqrt{2})a + 1 \leqslant 0。
解集包含该区间,故此段解集为 2−2<a<−12\sqrt{2}-2 < a < -\dfrac{1}{2}。

④ 当 −12⩽a<0-\dfrac{1}{2} \leqslant a < 0 时:g(t)max⁡=a+2g(t)_{\max} = a+2,且 g(t)min⁡=2g(t)_{\min} = \sqrt{2}。
极差为 a+2−2⩽1  ⟹  a⩽2−1a + 2 - \sqrt{2} \leqslant 1 \implies a \leqslant \sqrt{2}-1。
因为 2−1>0\sqrt{2}-1 > 0,所以此段解集为 −12⩽a<0-\dfrac{1}{2} \leqslant a < 0。

3. 综合求出实数 $a$ 的最终取值范围

综上所述,取各段解集的并集,得实数 aa 的取值范围为 [2−3,0)[\sqrt{2}-3, 0)。

答案

实数 aa 的取值范围是 [2−3,0)[\sqrt{2}-3, 0)。

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