f(x)=2cos⁡2x−2acos⁡x−1−2af(x)=2\cos ^{2}x-2a\cos x-1-2a的最小值为g(a)g(a),a∈R(1)a∈R(1)求g(a)g(a); (2)若g(a)=12g(a)= \dfrac {1}{2},求aa及此时f(x)f(x)的最大值.

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完整解法

(1)

1. 将三角函数通过换元转化为二次函数形式,并指明自变量的范围

设 t=cos⁡xt = \cos x,因为 x∈Rx \in \mathbb{R},所以 t∈[−1,1]t \in [-1, 1].
此时函数解析式可化为:
F(t)=2t2−2at−2a−1,t∈[−1,1]F(t) = 2t^2 - 2at - 2a - 1, \quad t \in [-1, 1]

2. 对二次函数进行配方,确定对称轴

对 F(t)F(t) 进行配方得:
F(t)=2(t−a2)2−a22−2a−1F(t) = 2\left(t - \dfrac{a}{2}\right)^2 - \dfrac{a^2}{2} - 2a - 1
对称轴为 t=a2t = \dfrac{a}{2}.

3. 分区间讨论对称轴与区间 $[-1, 1]$ 的位置关系,求出最小值的解析式

① 当 a2<−1\dfrac{a}{2} < -1,即 a<−2a < -2 时,对称轴在区间左侧,F(t)F(t) 在 [−1,1][-1, 1] 上单调递增,
当 t=−1t = -1 时,函数取得最小值:
g(a)=F(−1)=2(−1)2−2a(−1)−2a−1=1g(a) = F(-1) = 2(-1)^2 - 2a(-1) - 2a - 1 = 1

② 当 −1⩽a2⩽1-1 \leqslant \dfrac{a}{2} \leqslant 1,即 −2⩽a⩽2-2 \leqslant a \leqslant 2 时,对称轴在区间内,F(t)F(t) 在顶点处取得最小值:
g(a)=−a22−2a−1g(a) = -\dfrac{a^2}{2} - 2a - 1

③ 当 a2>1\dfrac{a}{2} > 1,即 a>2a > 2 时,对称轴在区间右侧,F(t)F(t) 在 [−1,1][-1, 1] 上单调递减,
当 t=1t = 1 时,函数取得最小值:
g(a)=F(1)=2(1)2−2a(1)−2a−1=1−4ag(a) = F(1) = 2(1)^2 - 2a(1) - 2a - 1 = 1 - 4a

综上所述,
g(a)={1,a<−2−a22−2a−1,−2⩽a⩽21−4a,a>2g(a)= \begin{cases} 1, & a < -2 \\ - \dfrac {a^{2}}{2}-2a-1, & -2\leqslant a\leqslant 2 \\ 1-4a, & a > 2\end{cases}

答案

g(a)={1,a<−2−a22−2a−1,−2⩽a⩽21−4a,a>2g(a)= \begin{cases} 1, & a < -2 \\ - \dfrac {a^{2}}{2}-2a-1, & -2\leqslant a\leqslant 2 \\ 1-4a, & a > 2\end{cases}

(2)

1. 复用第一问结果,分区间讨论方程 $g(a) = \frac{1}{2}$ 的解

由第一问求得的 g(a)g(a) 解析式,令 g(a)=12g(a) = \dfrac{1}{2}:
① 当 a<−2a < -2 时,1=121 = \dfrac{1}{2},无解.
② 当 −2⩽a⩽2-2 \leqslant a \leqslant 2 时,
−a22−2a−1=12  ⟹  a2+4a+3=0- \dfrac {a^{2}}{2}-2a-1 = \dfrac{1}{2} \implies a^2 + 4a + 3 = 0
解得 a=−1a = -1 或 a=−3a = -3(由于 −3∉[−2,2]-3 \notin [-2, 2],舍去).
③ 当 a>2a > 2 时,
1−4a=12  ⟹  a=181 - 4a = \dfrac{1}{2} \implies a = \dfrac{1}{8}
由于 18<2\dfrac{1}{8} < 2,舍去.
综上所述,a=−1a = -1.

2. 代入 $a = -1$,确定 $f(x)$ 对应的二次函数解析式

当 a=−1a = -1 时,令 t=cos⁡x∈[−1,1]t = \cos x \in [-1, 1],
F(t)=2t2+2t+1F(t) = 2t^2 + 2t + 1

3. 求解二次函数在闭区间上的最大值

由于二次函数 F(t)=2t2+2t+1F(t) = 2t^2 + 2t + 1 开口向上,对称轴为 t=−12t = -\dfrac{1}{2}.
自变量区间为 t∈[−1,1]t \in [-1, 1].
端点 t=1t = 1 距离对称轴 t=−12t = -\dfrac{1}{2} 较远,故在 t=1t = 1 处取得最大值:
F(1)=2(1)2+2(1)+1=5F(1) = 2(1)^2 + 2(1) + 1 = 5
所以此时 f(x)f(x) 的最大值为 55.

答案

a=−1a = -1,此时 f(x)f(x) 的最大值为 55.

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