已知函数f(x)=sin⁡2x+ax2.(1)f(x)=\sin^{2}x+ax^{2}.(1)当a=1a=1时,求f(x)f(x)的单调区间; (2)若x∈[0,π2]x\in\left[0,\dfrac{\pi}{2}\right],不等式sin⁡(2cos⁡ x)+a2x2⩾af(x)\sin(2\cos\:x)+a^{2}x^{2}\geqslant af(x)恒成立,求实数aa的取值范围.

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完整解法

(1)

1. 代入 $a=1$ 并对 $f(x)$ 求导

当 a=1a=1 时,f(x)=sin⁡2x+x2f(x) = \sin^2 x + x^2。
对其求导,得:
f′(x)=2sin⁡xcos⁡x+2x=sin⁡2x+2xf'(x) = 2\sin x \cos x + 2x = \sin 2x + 2x

2. 判断导函数 $f'(x)$ 的符号与零点

求二阶导数,得:
f′′(x)=2cos⁡2x+2=2(cos⁡2x+1)f''(x) = 2\cos 2x + 2 = 2(\cos 2x + 1)
因为 cos⁡2x⩾−1\cos 2x \geqslant -1,所以 f′′(x)⩾0f''(x) \geqslant 0 恒成立,故 f′(x)f'(x) 在 R\mathbb{R} 上单调递增。
又因为 f′(0)=sin⁡0+0=0f'(0) = \sin 0 + 0 = 0,
所以当 x∈(−∞,0)x \in (-\infty, 0) 时,f′(x)<0f'(x) < 0;当 x∈(0,+∞)x \in (0, +\infty) 时,f′(x)>0f'(x) > 0。

3. 写出函数的单调区间

综上所述,函数 f(x)f(x) 的单调递减区间为 (−∞,0](-\infty, 0],单调递增区间为 [0,+∞)[0, +\infty)。

答案

单调递减区间为 (−∞,0](-\infty, 0],单调递增区间为 [0,+∞)[0, +\infty)。

(2)

1. 代入 $f(x)$ 并化简恒成立的不等式

将 f(x)=sin⁡2x+ax2f(x) = \sin^2 x + a x^2 代入不等式 sin⁡(2cos⁡x)+a2x2⩾af(x)\sin(2\cos x) + a^2 x^2 \geqslant a f(x),得:
sin⁡(2cos⁡x)+a2x2⩾a(sin⁡2x+ax2)\sin(2\cos x) + a^2 x^2 \geqslant a(\sin^2 x + a x^2)
sin⁡(2cos⁡x)+a2x2⩾asin⁡2x+a2x2\sin(2\cos x) + a^2 x^2 \geqslant a \sin^2 x + a^2 x^2
两边消去 a2x2a^2 x^2,原不等式化简为:

ight] ext{ 恒成立}$$

2. 取特殊值求出 $a$ 的必要条件

取特殊值 x = rac{\pi}{2} \in \left[0, rac{\pi}{2} ight] 代入不等式:
左边 = \sin\left(2\cos rac{\pi}{2} ight) = \sin 0 = 0,
右边 = a \sin^2 rac{\pi}{2} = a \cdot 1^2 = a。
要使不等式成立,必须有 0⩾a0 \geqslant a,即 a⩽0a \leqslant 0。

3. 检验 $a \leqslant 0$ 的充分性并得出结论

当 a⩽0a \leqslant 0 时:
因为 x \in \left[0, rac{\pi}{2} ight],所以 cos⁡x∈[0,1]\cos x \in [0, 1],从而 2cos⁡x∈[0,2]⊂[0,π]2\cos x \in [0, 2] \subset [0, \pi]。
根据正弦函数性质,当 2cos⁡x∈[0,π]2\cos x \in [0, \pi] 时,sin⁡(2cos⁡x)⩾0\sin(2\cos x) \geqslant 0。
又因为 a⩽0a \leqslant 0 且 sin⁡2x⩾0\sin^2 x \geqslant 0,所以 asin⁡2x⩽0a \sin^2 x \leqslant 0。
因此,sin⁡(2cos⁡x)⩾0⩾asin⁡2x\sin(2\cos x) \geqslant 0 \geqslant a \sin^2 x 对任意 x \in \left[0, rac{\pi}{2} ight] 均成立。
综上所述,实数 aa 的取值范围是 (−∞,0](-\infty, 0]。

答案

aa 的取值范围是 (−∞,0](-\infty, 0](或 a⩽0a \leqslant 0)。

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