已知函数f(x)=xsin⁡x+acos⁡x+xf(x)=x\sin x+a\cos x+x,a∈Ra∈R. ((Ⅰ))当a=−1a=-1时,求曲线y=f(x)y=f(x)在点(0,f(0))(0,f(0))处的切线方程; ((Ⅱ))当a=2a=2时,求f(x)f(x)在区间[0,π2][0, \dfrac {π}{2}]上的最大值和最小值; ((Ⅲ))当a>2a > 2时,若方程f(x)−3=0f(x)-3=0在区间[0,π2][0, \dfrac {π}{2}]上有唯一解,求aa的取值范围.

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完整解法

(Ⅰ)

1. 求出当 $a=-1$ 时函数在 $x=0$ 处的函数值 $f(0)$ 和导函数 $f'(x)$

当 a=−1a=-1 时,f(x)=xsin⁡x−cos⁡x+xf(x)=x\sin x-\cos x+x.
求导得:f′(x)=sin⁡x+xcos⁡x+sin⁡x+1=2sin⁡x+xcos⁡x+1f'(x)=\sin x + x\cos x + \sin x + 1 = 2\sin x + x\cos x + 1.
代入 x=0x=0 可得:f(0)=−1f(0) = -1.

2. 计算切线斜率

将 x=0x=0 代入导函数 f′(x)f'(x) 中,得切线斜率为:
k=f′(0)=2sin⁡0+0⋅cos⁡0+1=1k = f'(0) = 2\sin 0 + 0\cdot\cos 0 + 1 = 1.

3. 写出切线方程

根据点斜式,曲线在点 (0,f(0))(0, f(0)) 即 (0,−1)(0, -1) 处的切线方程为:
y−(−1)=1⋅(x−0)y - (-1) = 1\cdot(x - 0)
整理得:y=x−1y = x - 1.

答案

y=x−1y = x - 1

(Ⅱ)

1. 当 $a=2$ 时求出导函数 $f'(x)$

当 a=2a=2 时,f(x)=xsin⁡x+2cos⁡x+xf(x)=x\sin x+2\cos x+x.
求导得:f′(x)=sin⁡x+xcos⁡x−2sin⁡x+1=−sin⁡x+xcos⁡x+1f'(x) = \sin x + x\cos x - 2\sin x + 1 = -\sin x + x\cos x + 1.

2. 判断 $f'(x)$ 在区间 $(0, \dfrac{\pi}{2})$ 上的符号及函数的单调性

当 x∈(0,π2)x\in(0, \dfrac{\pi}{2}) 时,
因为 1−sin⁡x>01-\sin x > 0 且 xcos⁡x>0x\cos x > 0,
所以 f′(x)=(1−sin⁡x)+xcos⁡x>0f'(x) = (1-\sin x) + x\cos x > 0.
由此可知,f(x)f(x) 在区间 [0,π2][0, \dfrac{\pi}{2}] 上单调递增.

3. 计算区间端点值以得出最大值和最小值

因为 f(x)f(x) 在区间 [0,π2][0, \dfrac{\pi}{2}] 上单调递增,
所以最小值为 f(0)=2cos⁡0=2f(0) = 2\cos 0 = 2,
最大值为 f(π2)=π2sin⁡π2+2cos⁡π2+π2=π2+0+π2=πf(\dfrac{\pi}{2}) = \dfrac{\pi}{2}\sin\dfrac{\pi}{2} + 2\cos\dfrac{\pi}{2} + \dfrac{\pi}{2} = \dfrac{\pi}{2} + 0 + \dfrac{\pi}{2} = \pi.

答案

最大值为 π\pi,最小值为 22

(Ⅲ)

1. 求导并构造辅助函数 $h(x) = f'(x)$

当 a>2a>2 时,f′(x)=sin⁡x+xcos⁡x−asin⁡x+1=(1−a)sin⁡x+xcos⁡x+1f'(x) = \sin x + x\cos x - a\sin x + 1 = (1-a)\sin x + x\cos x + 1.
设辅助函数 h(x)=(1−a)sin⁡x+xcos⁡x+1h(x) = (1-a)\sin x + x\cos x + 1, 其中 x∈[0,π2]x\in [0, \dfrac{\pi}{2}].

2. 通过求导判断辅助函数 $h(x)$ 的单调性

求导得:h′(x)=(1−a)cos⁡x+cos⁡x−xsin⁡x=(2−a)cos⁡x−xsin⁡xh'(x) = (1-a)\cos x + \cos x - x\sin x = (2-a)\cos x - x\sin x.
因为 a>2a > 2, 所以 2−a<02-a < 0.
又因为当 x∈(0,π2)x\in(0, \dfrac{\pi}{2}) 时,cos⁡x>0,sin⁡x>0,x>0\cos x > 0, \sin x > 0, x > 0,
所以 (2−a)cos⁡x<0(2-a)\cos x < 0 且 −xsin⁡x<0-x\sin x < 0,
从而 h′(x)<0h'(x) < 0.
因此,h(x)h(x) 在区间 [0,π2][0, \dfrac{\pi}{2}] 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>0h(0) = 1 > 0,
h(π2)=1−a+1=2−a<0h(\dfrac{\pi}{2}) = 1-a+1 = 2-a < 0.
由于 h(x)h(x) 在区间 [0,π2][0, \dfrac{\pi}{2}] 上连续且单调递减,由零点存在定理可知,
存在唯一的 x0∈(0,π2)x_0 \in (0, \dfrac{\pi}{2}) 使得 h(x0)=0h(x_0) = 0,即 f′(x0)=0f'(x_0) = 0.

4. 确定原函数 $f(x)$ 的单调区间

根据 h(x)=f′(x)h(x) = f'(x) 的符号:
当 x∈[0,x0)x\in [0, x_0) 时,f′(x)>0f'(x) > 0, 此时 f(x)f(x) 单调递增;
当 x∈(x0,π2]x\in (x_0, \dfrac{\pi}{2}] 时,f′(x)<0f'(x) < 0, 此时 f(x)f(x) 单调递减.
因此,f(x)f(x) 在 x=x0x = x_0 处取得最大值 f(x0)f(x_0).

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)=af(0) = a,
f(π2)=π2sin⁡π2+acos⁡π2+π2=πf(\dfrac{\pi}{2}) = \dfrac{\pi}{2}\sin\dfrac{\pi}{2} + a\cos\dfrac{\pi}{2} + \dfrac{\pi}{2} = \pi.
由于 π≈3.14>3\pi \approx 3.14 > 3, 且 f(x0)>f(π2)=π>3f(x_0) > f(\dfrac{\pi}{2}) = \pi > 3,
所以在区间 [x0,π2][x_0, \dfrac{\pi}{2}] 上,由于 f(x)f(x) 从 f(x0)f(x_0) 递减至 π\pi, 函数值始终大于 33,故该区间内无解。
因此,方程 f(x)−3=0f(x) - 3 = 0 的唯一解必须分布在区间 [0,x0)[0, x_0) 上。
因为 f(x)f(x) 在 [0,x0][0, x_0] 上单调递增,且最高点 f(x0)>3f(x_0) > 3,
要使方程在 [0,x0)[0, x_0) 上有唯一解,必须且只需:
f(0)⩽3f(0) \leqslant 3, 即 a⩽3a \leqslant 3.
结合已知条件 a>2a > 2,可得 aa 的取值范围为 2<a⩽32 < a \leqslant 3.

答案

2<a⩽32 < a \leqslant 3

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