(本题满分 分)若 为实数,,函数 在闭区间 上的最大值与最小值之差为 ,求 的取值范围。
这是解答题,请在纸上写出完整过程。写完后对照解答给自己评分。
先独立尝试,再展开工具说明与想法来源。
差化积公式为 。正弦在 上递增;滑动区间法须先验证两个端点都位于这一段。
想法从哪来:只试对称区间能找到一个短区间,却说明不了最长可以多长。先按区间是否包含正弦的峰或谷分类:若包含峰,振幅差恰为 就迫使全区间非负;若峰谷都不含,区间只能落在相邻极值点之间。这先给长度上界。 再把最大值点与最小值点相减,正弦差公式把振幅差限制为 ,从而给长度下界。必要界完成后,不能只展示两个端点。长的一段长度可固定区间左端为零;短的一段则在同一单调区间内滑动区间中心,用 定位中心。检查整个区间仍在单调段内,才能将端点差当作真正的极值差。
区间长度的上下界分别来自两个结构:短区间内用正弦差公式控制最大值与最小值之差,长区间则会覆盖极值点。求出端点之后,还须构造每一种中间长度;这里把长度分成 和 两段完成。
记 。先证明 。 若区间内包含正弦值为 的点,则最小值只能是 ,所以区间上 。一个连续区间若全落在正弦非负区域,必包含于某个 ,因此长度至多为 。 若包含正弦值为 的点,同理区间上 ,长度也至多为 。 若既不含正弦值为 的点,也不含值为 的点,则区间位于两个相邻极值点之间,其长度小于 。 所以在所有情形下,。
设最大值、最小值分别在 处取得,则 。由正弦差公式,
因 ,得 。
下面证明每个 都可实现。
当 时,取 ,其上正弦的最大值为 、最小值为 ,符合要求。
当 时,选 满足
右端属于 ,故这样的 存在。 又因 ,有
故 。 取 ,,则 ,正弦在其上递增,且
所以这一段的每个长度也都可达。综上,所求范围为 。
下端 可取区间 ,其极值为 ;上端 可取 ,其极值为 。 两段构造在 都允许区间 ,没有遗漏连接点;证明同时给出必要界与全部中间长度的充分性。
变区间的最值差问题要区分“包含极值点”和“落在单调段”两类。范围题不能只验证两端可取,须用参数构造或连续性论证填满两端之间的所有值。
先分别用极值点结构与正弦差建立两个必要界,再分长度区间构造每个中间值,三个环节相互独立且共同保证完整范围。
已记下,谢谢!