1. 求导并构造辅助函数 $h(x) = f'(x)$
当 a>2 时,f′(x)=sinx+xcosx−asinx+1=(1−a)sinx+xcosx+1.
设辅助函数 h(x)=(1−a)sinx+xcosx+1, 其中 x∈[0,2π].
2. 通过求导判断辅助函数 $h(x)$ 的单调性
求导得:h′(x)=(1−a)cosx+cosx−xsinx=(2−a)cosx−xsinx.
因为 a>2, 所以 2−a<0.
又因为当 x∈(0,2π) 时,cosx>0,sinx>0,x>0,
所以 (2−a)cosx<0 且 −xsinx<0,
从而 h′(x)<0.
因此,h(x) 在区间 [0,2π] 上单调递减.
3. 判定 $f'(x)$ 零点的存在性与唯一性
计算端点值:
h(0)=1>0,
h(2π)=1−a+1=2−a<0.
由于 h(x) 在区间 [0,2π] 上连续且单调递减,由零点存在定理可知,
存在唯一的 x0∈(0,2π) 使得 h(x0)=0,即 f′(x0)=0.
4. 确定原函数 $f(x)$ 的单调区间
根据 h(x)=f′(x) 的符号:
当 x∈[0,x0) 时,f′(x)>0, 此时 f(x) 单调递增;
当 x∈(x0,2π] 时,f′(x)<0, 此时 f(x) 单调递减.
因此,f(x) 在 x=x0 处取得最大值 f(x0).
5. 结合端点值和唯一解条件确定 $a$ 的取值范围
计算端点值:
f(0)=a,
f(2π)=2πsin2π+acos2π+2π=π.
由于 π≈3.14>3, 且 f(x0)>f(2π)=π>3,
所以在区间 [x0,2π] 上,由于 f(x) 从 f(x0) 递减至 π, 函数值始终大于 3,故该区间内无解。
因此,方程 f(x)−3=0 的唯一解必须分布在区间 [0,x0) 上。
因为 f(x) 在 [0,x0] 上单调递增,且最高点 f(x0)>3,
要使方程在 [0,x0) 上有唯一解,必须且只需:
f(0)⩽3, 即 a⩽3.
结合已知条件 a>2,可得 a 的取值范围为 2<a⩽3.
答案2<a⩽3