Math Problem Statement

若函数f(x)=sin2x+sinx+cos2x在区间[0, nπ2]上恰好有2024个零点, 求实数n的取值范围.若函数f\left(x\right)=\sin^2x+\sin x+\cos^2x在区间\left\lbrack0,\text{ }\frac{n\pi}{2}\right\rbrack上恰好有2024个零点\text{, 求实数}n的取值范围\text{.}

Solution

首先,考虑给定的函数 f(x)=sin2x+sinx+cos2xf(x) = \sin^2 x + \sin x + \cos^2 x

通过三角恒等式 sin2x+cos2x=1\sin^2 x + \cos^2 x = 1,可以简化函数:

f(x)=1+sinxf(x) = 1 + \sin x

所以,f(x)=0f(x) = 0 的条件是:

1+sinx=01 + \sin x = 0 sinx=1\sin x = -1

接下来,我们考虑在区间 [0,nπ2]\left[0, \frac{n\pi}{2}\right]sinx=1\sin x = -1 的情况。

我们知道 sinx\sin xx=3π2+2kπx = \frac{3\pi}{2} + 2k\pi 处取值为 -1,其中 kk 是整数。现在要在区间 [0,nπ2]\left[0, \frac{n\pi}{2}\right] 上找到使得 sinx=1\sin x = -1 的所有 xx 值。

将这个方程带入区间:

03π2+2kπnπ20 \leq \frac{3\pi}{2} + 2k\pi \leq \frac{n\pi}{2}

将不等式两边同时除以 π\pi

032+2kn20 \leq \frac{3}{2} + 2k \leq \frac{n}{2}

将不等式乘以 2:

03+4kn0 \leq 3 + 4k \leq n

解得:

34kn34-\frac{3}{4} \leq k \leq \frac{n-3}{4}

由于 kk 是整数,34-\frac{3}{4}n34\frac{n-3}{4} 分别四舍五入为整数。因此 kk 的取值范围是:

k=0,1,2,,n34k = 0, 1, 2, \ldots, \left\lfloor \frac{n-3}{4} \right\rfloor

这个区间内 kk 的个数恰好是2024个零点,则有:

n34+1=2024\left\lfloor \frac{n-3}{4} \right\rfloor + 1 = 2024

因此:

n34=2023\left\lfloor \frac{n-3}{4} \right\rfloor = 2023

解得:

n342023\frac{n-3}{4} \geq 2023 n38092n-3 \geq 8092 n8095n \geq 8095

为了确保满足 n34=2023\left\lfloor \frac{n-3}{4} \right\rfloor = 2023,我们还需考虑上限:

n34<2024\frac{n-3}{4} < 2024 n3<8096n-3 < 8096 n<8099n < 8099

综上所述,实数 nn 的取值范围是:

8095n<80998095 \leq n < 8099

请问你有其他问题或需要详细解释吗?

可以选择的问题:

  1. 如何验证方程 sinx=1\sin x = -1 的解?
  2. 为什么选择区间 [0,nπ2][0, \frac{n\pi}{2}] 进行讨论?
  3. 如何确定零点个数的范围?
  4. 为什么 sinx\sin x3π2+2kπ\frac{3\pi}{2} + 2k\pi 取 -1?
  5. 如何使用不等式来确定 nn 的取值范围?

小贴士:在处理涉及三角函数的问题时,利用三角恒等式(如 sin2x+cos2x=1\sin^2 x + \cos^2 x = 1)可以大大简化问题。

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