内容正文:
函数与方程
第九节
1.理解函数的零点与方程解的关系.了解函数零点存在定理,并能简单应用.
2.能借用工具用二分法求方程的近似解,了解二分法求方程的近似解具有一般性.
学习目标
第1课时
函数的零点
CONTENTS
目录
1
2
3
课前·“四基”落实
课堂·题点精研
课时跟踪检测
课前·“四基”落实
01
回首教材
1.函数的零点
(1)函数零点的定义
对于函数y=f(x),我们把使________的实数x叫做函数y=f(x)的零点.
(2)几个等价关系
方程f(x)=0有实数解⇔函数y=f(x)的图象与_____有公共点⇔函数y=f(x)有_____.
f(x)=0
x轴
零点
(3)函数零点的判定(函数零点存在定理)
如果函数y=f(x)在区间[a,b]上的图象是一条连续不断的曲线,且有___________,那么,函数y=f(x)在区间______内至少有一个零点,即存在c∈(a,b),使得________,这个c也就是方程f(x)=0的解.
f(a)f(b)<0
(a,b)
f(c)=0
2.二分法
对于在区间[a,b]上图象连续不断且___________的函数y=f(x),通过不断地把它的零点所在区间一分为二,使所得区间的两个端点逐步逼近零点,进而得到零点近似值的方法叫做二分法.
f(a)f(b)<0
3.二次函数图象与零点的关系
Δ=b2-4ac Δ>0 Δ=0 Δ<0
二次函数y=ax2+bx+c(a>0)的图象
与x轴的交点 (x1,0),(x2,0) _____ 无
零点个数 ____ ____ ____
(x1,0)
2
1
0
(1)若连续不断的函数f(x)在定义域上具有单调性,则f(x)至多有一个零点.函数的零点不是一个“点”,而是方程f(x)=0的实根.
(2)图象连续不断的函数,其相邻两个零点之间的所有函数值保持同号.
(3)连续不断的函数图象通过零点时,函数值可能变号,也可能不变号.
微点提醒
(4)由函数y=f(x)(图象是连续不断的)在闭区间[a,b]上有零点不一定能推出f(a)f(b)<0,如图所示,所以f(a)f(b)<0是y=f(x)在闭区间[a,b]上有零点的充分不必要条件.
发掘教材
一、高考命题注重“教考衔接”(示例分析)
考题品悟 (2023·天津高考)若函数f(x)=ax2-2x-|x2-ax+1|有且仅有两个零点,则a的取值范围为___________________________.
追根溯源 (苏教必修①P254T15)设函数f(x)=|x-a|,g(x)=ax,其中a∈R.
(1)若函数y=f(x)是R上的偶函数,求a的值;
(2)若关于x的方程f(x)=g(x)有两个解,求a的取值范围.
发现启迪 高考题与教材习题都是根据零点的个数求参数的范围,解决的方法可以数形结合,也可以直接求解确定参数的范围.
(-∞,0)∪(0,1)∪(1,+∞)
二、复习备考要强化“教材本位”
A组——教材信息的发掘训练
1.(人A必修①P155T2改编)已知函数y=f(x)的图象是一条连续不断的曲线,部分对应关系如表所示,则该函数的零点个数至少为( )
x 1 2 3 4 5 6
y 126.1 15.15 -3.92 16.78 -45.6 -232.64
A.2 B.3 C.4 D.5
√
解析:由题表可知,f(2)f(3)<0,f(3)f(4)<0,f(4)f(5)<0,所以函数f(x)在区间[1,6]上至少有3个零点.
√
√
4.(人A必修①P143例1改编)函数f(x)=2x-8+ln x的零点所在的区间为( )
A.(0,1) B.(1,2)
C.(2,3) D.(3,4)
√
解析:易知f(x)的定义域为(0,+∞),且在(0,+∞)上单调递增,f(3)=ln 3-2<0,f(4)=ln 4>0,故f(x)的零点在区间(3,4)内.
B组——迷点盲点的澄清训练
√
2.(忽略函数零点存在定理的条件)设f(x)=lg x+x-3,用二分法求方程lg x+x-3=0在(2,3)内近似解的过程中得到f(2.25)<0,f(2.75)>0,f(2.5)<0,f(3)>0,则方程的根所在区间为( )
A.(2,2.25) B.(2.25,2.5)
C.(2.5,2.75) D.(2.75,3)
√
解析:因为f(2.5)<0,f(2.75)>0,由函数零点存在定理知,方程的根所在区间为(2.5,2.75).
课堂·题点精研
02
题点一 对函数零点存在定理的理解(自主练通)
1.对于函数f(x),若f(-1)f(3)<0,则( )
A.方程f(x)=0一定有实数解
B.方程f(x)=0一定无实数解
C.方程f(x)=0一定有两实根
D.方程f(x)=0可能无实数解
√
解析:因为函数f(x)的图象在(-1,3)上未必连续,所以尽管f(-1)f(3)<0,但方程f(x)=0在(-1,3)上可能无实数解.
2.[多选]若函数y=f(x)在区间[a,b]上的图象为一条连续不断的曲线,则下列说法错误的是( )
A.若f(a)f(b)>0,则不存在实数c∈[a,b],使得f(c)=0
B.若f(a)f(b)<0,则存在且只存在一个实数c∈[a,b],使得f(c)=0
C.若f(a)f(b)>0,则可能存在实数c∈[a,b],使得f(c)=0
D.若f(a)f(b)<0,则可能不存在实数c∈[a,b],使得f(c)=0
√
√
√
解析:取f(x)=x2-1,区间取为[-2,2],满足f(-2)f(2)>0,但是f(x)在[-2,2]内存在两个零点-1,1,故A说法错误,C说法正确;
根据函数零点存在定理可知D说法错误.
对函数零点存在定理的理解
思维建模
存在性 当函数y=f(x)满足定理的条件时,函数在区间(a,b)内至少存在一个零点
唯一性 在满足定理的条件下,若函数f(x)在区间(a,b)上又是单调函数,则该函数在区间(a,b)内只有一个零点
不可逆性 若函数f(x)在区间(a,b)内有零点,不一定有f(x)的图象是一条连续不断的曲线,也不一定有f(a)f(b)<0成立
题点二 函数零点所在区间的判定
例 1
√
例 2
√
√
确定函数零点所在区间的常用方法
思维建模
利用函数零点存在定理 首先看函数y=f(x)在区间[a,b]上的图象是否连续,再看是否有f(a)f(b)<0.若有,则函数y=f(x)在区间(a,b)内必有零点
数形
结合法 通过画函数图象,观察图象与x轴在给定区间上是否有交点来判断
针对训练
√
√
题点三 函数零点个数的判定
例 3
√
解析:法一:直接法 由y=f(x)-3=0得f(x)=3.当x>0时,得ln x=3或ln x=-3,解得x=e3或x=e-3;当x≤0时,得-2x(x+2)=3,无解.所以函数y=f(x)-3的零点个数是2,故选B.
法二:图象法 作出函数f(x)的图象,如图,函数y=f(x)-3的零点个数即y=f(x)的图象与直线y=3的交点个数,作出直线y=3,由图知y=f(x)的图象与直线y=3有2个交点,故函数y=f(x)-3的零点个数是2,故选B.
已知函数f(x)定义在R上,且f(-x)=-f(x),满足f(x+2)=f(-x),且当x∈[0,1]时,f(x)=log2(x+1),则函数y=f(x)-x3的零点个数是( )
A.1 B.2
C.3 D.4
例 4
√
函数零点个数的判定方法
(1)直接求零点:令f(x)=0,有几个解就有几个零点.
(2)利用函数零点存在定理:利用该定理不仅要求函数在[a,b]上是连续不断的曲线,且f(a)f(b)<0,还必须结合函数的图象和性质(如单调性)才能确定函数有多少个零点.
(3)图象法:画两个函数的图象,看其交点的个数有几个,就有几个不同的零点.
思维建模
针对训练
√
4.已知f(x)是R上的奇函数,且当x>0时,f(x)=2x-x2,则函数f(x)在R上的零点的个数是________.
解析:当x>0时,令2x-x2=0,解得x=2或x=4;根据奇函数的对称性,当x<0时,f(x)的零点是x=-2,x=-4.又f(0)=0,所以f(x)在R上共有5个零点.
5
课时跟踪检测
03
1.函数y=4x-2x+1的零点为( )
A.-1 B.0
C.1 D.2
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√
解析:令4x-2x+1=0,整理得2x(2x-2)=0,解得x=1,所以函数y=4x-2x+1的零点为1.
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√
3.[多选]若函数f(x)唯一的零点在区间(1,3),(1,4),(1,5)内,则下列说法正确的是( )
A.函数f(x)在(1,2)或[2,3)内有零点
B.函数f(x)在(3,5)内无零点
C.函数f(x)在[2,5)内有零点
D.函数f(x)在[2,4)内不一定有零点
√
√
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解析:由题意得函数在(1,3)内有零点,在[3,5)内无零点,所以A、B、D正确,C不一定正确.
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√
4.下列函数在区间(-1,1)内有零点且单调递增的是 ( )
A.y=0.3x- B.y=x3+1
C.y=lo(-x) D.y=3x-1
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解析:对于A,y=0.3x-在(-1,1)上单调递减,不符合题意;
对于B,y=x3+1在(-1,1)上单调递增,令y=x3+1=0,解得x=-1,不符合题意;
对于C,y=lo(-x)在[0,1)上没有定义,不符合题意;
对于D,y=3x-1在(-1,1)上有零点x=0,且在(-1,1)上单调递增,符合题意.故选D.
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5.若x0是方程2x=12-3x的解,则x0∈( )
A.(0,1) B.(1,2)
C.(2,3) D.(3,4)
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解析:因为函数f(x)=2x+3x-12在定义域上单调递增,又f(2)=22+6-12=-2<0,f(3)=23+9-12=5>0,所以函数f(x)的零点所在区间是(2,3),即x0∈(2,3).
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6.已知f(x),g(x)均为[-1,3]上连续不断的曲线,根据下表能判断方程f(x)=g(x)有实数解的区间是( )
x -1 0 1 2 3
f(x) -0.946 1 -0.314 0 1.404 3 6.075 1 18.772 0
g(x) -1.324 0 -0.324 0 0.676 0 7.676 0 26.676 0
A.(2,3) B.(1,2)
C.(0,1) D.(-1,0)
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解析:令F(x)=f(x)-g(x),因为f(x),g(x)均为[-1,3]上连续不断的曲线,所以F(x)在[-1,3]上为连续不断的曲线,F(-1)=f(-1)-g(-1)=-0.946 1+1.324 0=0.377 9>0,F(0)=f(0)-g(0)=-0.314 0+0.324 0=0.010 0>0,F(1)=f(1)-g(1)=1.404 3-0.676 0=0.728 3>0,F(2)=f(2)-g(2)=6.075 1-7.676 0=-1.600 9<0,F(3)=f(3)-g(3)=18.772 0-26.676 0=-7.904 0<0.因为F(1)·F(2)<0,所以函数F(x)=f(x)-g(x)有零点的区间为(1,2),即方程f(x)=g(x)有实数解的区间是(1,2).
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因为0<a<b<1,所以f(x)的零点不可能在(a,b)内,C正确;
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9.已知函数f(x)=2x+x,g(x)=log2x+x,h(x)=2sin x+x的零点分别为a,b,c,则a,b,c的大小顺序为( )
A.a>b>c B.b>a>c
C.c>a>b D.b>c>a
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10.已知函数y=f(x)是定义在R上的偶函数,且f(x+1)=f(x-1),
当x∈[0,1]时,f(x)=2x-1,则函数g(x)=f(x)-lg x的零点个数为( )
A.6 B.7
C.8 D.9
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解析:由已知可得,f(x+2)=f(x),所以f(x)是周期为2的周期函数.又函数y=f(x)是定义在R上的偶函数,当x∈[0,1]时,f(x)=2x-1,根据已知,作出函数y=f(x)的图象,以及y=lg x的图象,
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因为lg 10=1,lg 8<lg 9<1,由图象可知,y=f(x)与y=lg x共有9个交点,所以函数g(x)=f(x)-lg x的零点个数为9.
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13.函数y=ax2+2ax+3(a≠0)的一个零点为1,则其另一个零点为________.
-3
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解析:法一 因为函数y=ax2+2ax+3(a≠0)的一个零点为1,将(1,0)代入得a+2a+3=0,解得a=-1.所以y=-x2-2x+3.令-x2-2x+3=0,解得x1=1,x2=-3.所以函数的另一个零点为-3.
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14.已知f(x)是定义在R上的奇函数,当x≥0时,f(x)=x2-4x,则方程f(x)=x-2解的个数为________.
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解析:因为当x<0时,-x>0,所以f(-x)=
(-x)2+4x.因为f(x)是定义在R上的奇函数,
所以-f(x)=f(-x)=x2+4x.所以f(x)=-x2-4x.
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如图所示,y=g(x)有3个零点,所以方程f(x)=x-2解的个数为3.
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15.已知x1满足3x+ex=3,x2满足3x-e2-x=3,则x1+x2=________.
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解析:由3x+ex=3,即ex+3x-3=0,由3x-e2-x=3,即e2-x+3
(2-x)-3=0,设f(x)=ex+3x-3,由y=ex,y=3x-3在R上均为单调递增函数,则f(x)在R上单调递增.f(0)=e0-3<0,f(1)=e>0,f(2)=e2+2×3-3=e2+3>0,所以存在唯一x0∈(0,1),使得f(x0)=0,由x1满足3x+ex=3,x2满足3x-e2-x=3,即x1满足ex+3x-3=0,x2满足e2-x+3(2-x)-3=0,即x1,2-x2满足f(x1)=0,f(2-x2)=0,由存在唯一x0,使得f(x0)=0,所以x1=2-x2,即x1+x2=2.
本课结束
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2.(人B必修①P126T3改编)函数f(x)=+a的零点为1,则实数a的值为( )
A.-2 B.-
C. D.2
解析:由题意知,f(1)=+a=0,解得a=-.
3.(苏教必修①P253T8改编)已知函数f(x)=
则函数f(x)的零点为( )
A.2 B.-2,0
C. D.0
解析:当x≤1时,令f(x)=2x-1=0,解得x=0;当x>1时,令f(x)=1+log2x=0,解得x=(舍去).综上,函数的零点为0.
1.(忽略二次项系数为零)函数f(x)=ax2-x-1有且仅有一个零点,则实数a的值为( )
A.- B.0
C. D.0或-
解析:当a=0时,f(x)=-x-1,令f(x)=0得x=-1,故f(x)只有一个零点为-1.当a≠0时,则Δ=1+4a=0,解得a=-.综上有a=0或a=-.
取f(x)=sin x,区间取为,满足ff=×=-<0,但是f(x)在内存在三个零点π,2π,3π,故B说法错误;
函数f(x)=x-2- 的零点所在区间是( )
A.(0,1) B.(1,2)
C.(2,3) D.(3,4)
解析:因为函数y=x-2和y=-在[0,+∞)上都单调递减,所以f(x)=x-2-在[0,+∞)上单调递减,又f(0)=4>0,f(1)=1>0,f(2)=1-<0,f(3)=-<0,f(4)=-<0,故f(1)·f(2)<0,所以函数f(x)的零点所在区间是(1,2).
[多选]函数f(x)=2x2-4ln x-3,则( )
A.f(x)在内有零点 B.f(x)在内有零点
C.f(x)在内有零点 D.f(x)在(e,e2)内有零点
解析:作出函数y=2x2-3和y=4ln x的图象,
如图所示,由图象可知,f(x)最多有两个零点,
因为f=+4-3>0,f()=2e-2-3>0,f(1)=2-3<0,f(e)=2e2-4-3>0,f(e2)=2e4-8-3>0,所以ff(1)<0,f(1)f()<0,由函数零点存在定理可知f(x)在内有零点,在(1,)内有零点.
1.函数f(x)=2x+x-5的零点x0∈[a-1,a],a∈N*,则a=( )
A.1 B.2
C.3 D.4
解析:已知f(1)=2+-5<0,f(2)=4+-5<0,f(3)=8+-5>0,
所以f(2)·f(3)<0,可知函数零点所在区间为[2,3],故a=3.
2.若x0是方程x=x的根,则x0属于区间( )
A. B.
C. D.
解析:构造函数f(x)=x-x,易知函数f(x)在R上单调递减,且函数f(x)的图象是一条连续不断的曲线,易知f(0)=0-0=1>0,f=->0,
f=-<0,f=-<0,f(1)=-1=-<0,结合选项,
因为f·f<0,故函数f(x)的零点所在的区间为,即方程x=x的根x0属于区间.
已知函数f(x)=则函数y=f(x)-3的零点个数是
( )
A.1 B.2
C.3 D.4
解析:定义在R上的函数f(x)满足f(-x)=-f(x),可得f(x)为奇函数,又由f(x+2)=f(-x),可得f(x)的对称轴为x=1,由f(x+2)=f(-x)=-f(x),可得f(x)=-f(x+2)=f(x+4),则f(x)的最小正周期为4,函数y=f(x)-x3的零点即函数y=f(x)与函数y=x3图象交点的横坐标.又当x∈[0,1]时,f(x)=log2(x+1),在同一直角坐标系内作出函数y=f(x)与函数y=x3图象如图所示,两函数图象有3个公共点(0,0),(1,1),(-1,-1),则函数y=f(x)-x3的零点个数是3.
3.已知函数f(x)=则方程f(x)-2|x|=0的解的个数是( )
A.0 B.1
C.2 D.3
解析:由f(x)-2|x|=0可得f(x)=2|x|,则方程f(x)-2|x|=0的解的个数等于函数y=2|x|与函数y=f(x)的图象交点的个数,作出函数y=2|x|与函数y=f(x)的图象如图所示,由图可知,函数y=2|x|与函数y=f(x)的图象有且只有一个交点,即方程f(x)-2|x|=0的解的个数为1.
2.函数f(x)=x3+sin x-2x的一个零点所在的区间为( )
A. B.
C. D.(2,π)
解析:连续函数f(x)=x3+sin x-2x,由于f(1)=13+sin 1-2×1=sin 1-1<0,f=3+sin-2×=+1-π=>0,∴f(1)·f<0,则函数f(x)=x3+sin x-2x的一个零点所在的区间为,故选B.
7.[多选]已知函数f(x)=-log2x,若0<a<b<1,且满足f(a)f(b)f(c)<0,则下列说法正确的是( )
A.f(x)有且只有一个零点
B.f(x)的零点在(1,2)内
C.f(x)的零点不可能在(a,b)内
D.f(x)的零点可能在(c,+∞)内
解析:函数f(x)=-log2x的定义域为(0,+∞),因为函数y=在(0,+∞)上单调递减,y=log2x在(0,+∞)上单调递增,所以函数f(x)=-log2x
在(0,+∞)上单调递减.又f(1)=1-log21=1>0,f(2)=-log22=-<0,
所以f(x)有且只有一个零点,且零点在区间(1,2)内,A正确,B正确;
因为函数f(x)=-log2x在(0,+∞)上单调递减,又f(1)>0,0<a<b<1,所以f(a)>f(b)>f(1)>0,又f(a)f(b)f(c)<0,所以f(c)<0,所以当x>c时,
f(x)<0,所以f(x)的零点不可能在(c,+∞)内,D错误.
8.函数f(x)=的零点个数为( )
A.1 B.2
C.3 D.4
解析:当x≤0时,令2x+4-3=0,解得x=-4+log23;当x>0时,令2x2-7x+4-ln x=0,则2x2-7x+4=ln x,在同一直角坐标系中分别作出y=2x2-7x+4,
y=ln x的大致图象如图所示,观察可知,
它们有2个交点,即函数f(x)有2个零点.综上所述,函数f(x)的零点个数为3.故选C.
解析:由h(x)=2sin x+x=0得x=0,∴c=0,由f(x)=0得2x=-x,由g(x)=0得log2x=-x.如图,在同一平面直角坐标系中画出y=2x,y=log2x,
y=-x的图象,由图象知a<0,b>0,∴a<c<b.
11.关于函数f(x)=其中a,b∈R,给出下列四个结论:
甲:6是该函数的零点;
乙:4是该函数的零点;
丙:该函数的零点之积为0;
丁:方程f(x)=有两个根.
若上述四个结论中有且只有一个结论错误,则该错误结论是( )
A.甲 B.乙 C.丙 D.丁
解析:当x∈[0,2)时,f(x)=2x-a单调递增,当x∈[2,+∞)时,f(x)=b-x单调递减,故6和4只有一个是函数的零点,即甲、乙中有一个结论错误,一个结论正确,而丙、丁均正确.由两零点之积为0,则必有一个零点为0,则f(0)=20-a=0,得a=1.若甲正确,乙错误,则f(6)=0,即b-6=0,b=6,可得f(x)=由f(x)=,
可得或解得x=log2或x=,方程f(x)=有两个根,故丁正确.故甲正确,乙错误.若乙正确,甲错误,则f(4)=0,则b-4=0,b=4,可得f(x)=由f(x)=,可得或
解得x=log2或x=(舍去),方程f(x)=只有一个根,则丁错误,不合题意.
12.函数f(x)=logx-sin x的零点个数为( )
A.4 B.3
C.2 D.1
解析:令f(x)=0可得logx=sin x,作出函数y=logx,y=sin x的图象如图所示.
当x>时,logx<log=-1,又因为-1≤sin x≤1,所以函数y=logx,y=sin x在上的图象没有交点,观察图象可知,函数 y=logx,
y=sin x的图象有三个交点,因此函数f(x)的零点个数为3.
法二 由函数y=ax2+2ax+3(a≠0)的一个零点为1,可得方程ax2+2ax+3=0(a≠0)的一个根为1,根据根与系数的关系可得x1+x2=-=-2,所以另一个根为-3.故函数的另一个零点为-3.
所以f(x)=
所以g(x)=f(x)-x+2=
$$