设a→=(2cos⁡x+23sin⁡x,1) \overrightarrow{a}=(2\cos x+2 \sqrt {3}\sin x,1),b→=(cos⁡x,−y) \overrightarrow{b}=(\cos x,-y)满足a→⋅b→=0 \overrightarrow{a}⋅ \overrightarrow{b}=0,y=f(x)(1)y=f(x)(1)求函数f(x)f(x)的最值; (2)已知△ABC\triangle ABC的内角AA,BB,CC的对边分别为aa,bb,cc,若f(x)f(x)的最大值恰好是f(A2)f( \dfrac {A}{2}),当a=2a=2时,求b+cb+c的取值范围.

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完整解法

(1)

1. 由向量垂直数量积为零列出 $y=f(x)$ 的表达式

根据向量数量积的坐标表示 a→⋅b→=0\overrightarrow{a} \cdot \overrightarrow{b} = 0,有:
(2cos⁡x+23sin⁡x)cos⁡x+1⋅(−y)=0(2\cos x + 2\sqrt{3}\sin x)\cos x + 1 \cdot (-y) = 0
解得 y=(2cos⁡x+23sin⁡x)cos⁡x=2cos⁡2x+23sin⁡xcos⁡xy = (2\cos x + 2\sqrt{3}\sin x)\cos x = 2\cos^2 x + 2\sqrt{3}\sin x \cos x。

2. 应用三角恒等变换公式将函数降幂并化为正弦型函数

利用二倍角公式 cos⁡2x=2cos⁡2x−1\cos 2x = 2\cos^2 x - 1 与 sin⁡2x=2sin⁡xcos⁡x\sin 2x = 2\sin x \cos x,可得:
f(x)=(1+cos⁡2x)+3sin⁡2x=3sin⁡2x+cos⁡2x+1f(x) = (1 + \cos 2x) + \sqrt{3}\sin 2x = \sqrt{3}\sin 2x + \cos 2x + 1
再利用辅助角公式化简:
f(x)=2sin⁡(2x+π6)+1f(x) = 2\sin\left(2x + \frac{\pi}{6}\right) + 1

3. 求出函数 $f(x)$ 的最大值与最小值

因为 x∈Rx \in \mathbb{R},所以 −1≤sin⁡(2x+π6)≤1-1 \le \sin\left(2x + \frac{\pi}{6}\right) \le 1。
当 sin⁡(2x+π6)=1\sin\left(2x + \frac{\pi}{6}\right) = 1 时,f(x)f(x) 取得最大值 2(1)+1=32(1) + 1 = 3;
当 sin⁡(2x+π6)=−1\sin\left(2x + \frac{\pi}{6}\right) = -1 时,f(x)f(x) 取得最小值 2(−1)+1=−12(-1) + 1 = -1。
故函数 f(x)f(x) 的最大值为 33,最小值为 −1-1。

答案

最大值为 33,最小值为 −1-1

(2)

1. 利用第(1)问的最值结果求出角 $A$ 的大小

由 (1) 可知 f(x)f(x) 的最大值为 33。
由题意,f(A2)=2sin⁡(2⋅A2+π6)+1=2sin⁡(A+π6)+1=3f\left(\frac{A}{2}\right) = 2\sin\left(2 \cdot \frac{A}{2} + \frac{\pi}{6}\right) + 1 = 2\sin\left(A + \frac{\pi}{6}\right) + 1 = 3,
即 sin⁡(A+π6)=1\sin\left(A + \frac{\pi}{6}\right) = 1。
因为 AA 为 ΔABC\Delta ABC 的内角,所以 A∈(0,π)A \in (0, \pi),则 A+π6∈(π6,7π6)A + \frac{\pi}{6} \in \left(\frac{\pi}{6}, \frac{7\pi}{6}\right)。
解得 A+π6=π2A + \frac{\pi}{6} = \frac{\pi}{2},即 A=π3A = \frac{\pi}{3}。

2. 运用正弦定理将 $b+c$ 表示为角 $B$ 的三角函数关系式

在 ΔABC\Delta ABC 中,由正弦定理 asin⁡A=bsin⁡B=csin⁡C\frac{a}{\sin A} = \frac{b}{\sin B} = \frac{c}{\sin C},已知 a=2,A=π3a = 2, A = \frac{\pi}{3},可得:
asin⁡A=2sin⁡π3=43\frac{a}{\sin A} = \frac{2}{\sin \frac{\pi}{3}} = \frac{4}{\sqrt{3}}
故 b=43sin⁡Bb = \frac{4}{\sqrt{3}}\sin B,c=43sin⁡Cc = \frac{4}{\sqrt{3}}\sin C。
又 C=π−A−B=2π3−BC = \pi - A - B = \frac{2\pi}{3} - B,所以:
b+c=43[sin⁡B+sin⁡(2π3−B)]b + c = \frac{4}{\sqrt{3}}\left[\sin B + \sin\left(\frac{2\pi}{3} - B\right)\right]
利用两角和与差的正弦公式化简:
sin⁡B+sin⁡(2π3−B)=sin⁡B+sin⁡2π3cos⁡B−cos⁡2π3sin⁡B=32sin⁡B+32cos⁡B=3sin⁡(B+π6)\sin B + \sin\left(\frac{2\pi}{3} - B\right) = \sin B + \sin\frac{2\pi}{3}\cos B - \cos\frac{2\pi}{3}\sin B = \frac{3}{2}\sin B + \frac{\sqrt{3}}{2}\cos B = \sqrt{3}\sin\left(B + \frac{\pi}{6}\right)
代入得:b+c=4sin⁡(B+π6)b + c = 4\sin\left(B + \frac{\pi}{6}\right)。

3. 确定角 $B$ 的取值范围并求出 $b+c$ 的取值范围

因为 ΔABC\Delta ABC 是三角形,且 A=π3A = \frac{\pi}{3},所以 B∈(0,2π3)B \in \left(0, \frac{2\pi}{3}\right)。
从而 B+π6∈(π6,5π6)B + \frac{\pi}{6} \in \left(\frac{\pi}{6}, \frac{5\pi}{6}\right)。
在该区间内,sin⁡(B+π6)∈(12,1]\sin\left(B + \frac{\pi}{6}\right) \in \left(\frac{1}{2}, 1\right]。
所以 b+c=4sin⁡(B+π6)∈(2,4]b + c = 4\sin\left(B + \frac{\pi}{6}\right) \in (2, 4]。
故 b+cb + c 的取值范围是 (2,4](2, 4]。

答案

(2,4](2, 4]

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