第2章 第7节 第1课时 方程解的存在性及方程的近似解-【优化探究】2025年高考数学一轮复习高考总复习配套课件(北师大版2019)
2024-10-24
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教辅
内容正文:
第七节 函数的应用
第一课时 方程解的存在性及方程的近似解
第二章 函数的概念、性质与基本初等函数
课件使用说明
01
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02
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软件版本
03
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便捷操作
04
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软件更新
[学习要求] 1.结合学过的函数图象,了解函数的零点与方程解的关系.
2.结合具体连续函数及其图象的特点,了解函数零点存在定理,并能简
单应用二分法求方程的近似解.
必备知识 自主梳理
内容索引
关键能力 重点探究
课时作业 巩固提升
必备知识 自主梳理
[知识梳理]
知识点一 函数的零点
1. 函数零点的概念
使得 f ( x 0)=0的 称为方程 f ( x )=0的解,也称为函数 f ( x )的
.
2. 函数零点与方程实数解的关系
方程 f ( x )=0有实数解⇔函数 y = f ( x )有 ⇔函数 y = f ( x )的图象
与 有公共点.
数 x 0
零点
零点
x 轴
3. 零点存在定理
若函数 y = f ( x )在闭区间[ a , b ]上的图象是一条 的曲线,并且
在区间端点的函数值一正一负,即 ,则在开区间( a ,
b )内,函数 y = f ( x ) 零点,即在区间( a , b )内相应的方
程 f ( x )=0至少有一个解.
连续
f ( a )· f ( b )<0
至少有一个
知识点二 二分法的定义
对于一般的函数 y = f ( x ), x ∈[ a , b ],若函数 y = f ( x )的图象是一
条 的曲线, f ( a )· f ( b )<0,则每次取区间的 ,将区
间 ,再经比较,按需要留下其中一个小区间的求方程近似
解的方法称为二分法.
连续
中点
一分为二
[小题诊断]
1. (多选)下列函数中,能用二分法求函数零点的有( ACD )
A. f ( x )=3 x -1 B. f ( x )= x 2-2 x +1
C. f ( x )=log4 x D. f ( x )=e x -2
f ( x )= x 2-2 x +1=( x -1)2, f (1)=0,当 x <1时, f ( x )>0;当 x >1
时, f ( x )>0,在零点两侧附近函数值同号,不能用二分法求零点,其
余选项中的函数在函数的零点两侧附近函数值异号.
ACD
2. 函数 f ( x )=的所有零点构成的集合为( C )
A. {1} B. {-1}
C. {-1,1} D. {-1,0,1}
当 x ≤0时, f ( x )= x +1=0⇒ x =-1,当 x >0时, f ( x )=log2 x =0⇒ x =
1,所以函数 f ( x )的所有零点构成的集合为{-1,1}.
C
3. (2024·福建宁德模拟)函数 f ( x )= x 3- x +1的零点所在的区间是
( A )
A. (-2,-1) B. (-1,0)
C. (0,1) D. (1,2)
f (-2)=-5, f (-1)=1, f (0)=1, f (1)=1, f (2)=7.因为 f (-2)· f (-1)
<0, f (-1)· f (0)>0, f (0)· f (1)>0, f (1)· f (2)>0,所以函数 f ( x )= x 3-
x +1的零点所在的区间是(-2,-1).
A
4. (易错题)已知函数 f ( x )=3 x 2+4 x - a 在区间(-1,1)内存在零点,则
实数 a 的取值范围为 .
函数 f ( x )在区间(-1,1)内存在零点,
等价为3 x 2+4 x - a =0在区间(-1,1)上有解,
即 a =3 x 2+4 x ,
∴当 x ∈(-1,1)时,- ≤ g ( x )<7,
即- ≤ a <7,
故实数 a 的取值范围是 .
设 g ( x )=3 x 2+4 x ,则 g ( x )=3 - ,∵ x ∈(-1,1),
∴当 x =- 时, g ( x )取得最小值- ,
当 x =1时, g (1)=7.
关键能力 重点探究
考点一 判断函数零点所在的区间
(1)函数 f ( x )=ln x +2 x -6的零点所在的区间是( B )
A. (1,2) B. (2,3)
C. (3,4) D. (4,5)
由题意得, f ( x )=ln x +2 x -6在定义域内单调递增,
f (2)=ln 2+4-6=ln 2-2<0,
f (3)=ln 3+6-6=ln 3>0,
∴ f (2) f (3)<0,
∴零点在区间(2,3)上.
B
例1
(2)(2024·湖北荆州模拟)若 x 0是方程 = 的根,则 x 0属于区间
( C )
A. B.
C. D.
构造函数 f ( 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,
C
易知 f (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 = 的根 x 0属于区间 .
确定函数f(x)的零点所在区间的常用方法
1. 利用函数的零点存在定理: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.
2. 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.
方法总结
1. (2024·湖南长沙模拟)设函数 f ( x )= x -ln x ,则函数 y = f ( x )( D )
A. 在区间 ,(1,e)内均有零点
B. 在区间 ,(1,e)内均无零点
C. 在区间 内有零点,在区间(1,e)内无零点
D. 在区间 内无零点,在区间(1,e)内有零点
D
跟踪训练
作出函数 y = x 和 y =ln x 的图象,如图,显然 y = f ( x )在 内无
零点,在(1,e)内有零点.
令 f ( x )=0得 x =ln x .
2. (2024·山东滨州模拟)[ x ]表示不超过 x 的最大整数,例如[3.5]=3,
[-0.5]=-1.已知 x 0是方程ln x +3 x -15=0的根,则[ x 0]=( C )
A. 2 B. 3 C. 4 D. 5
设 f ( x )=ln x +3 x -15,显然 f ( x )在定义域(0,+∞)上单调递增,故
f ( x )=0只有一个根,
又 f (4)=ln 4-3=2ln 2-3<2(ln 2-1)<0, f (5)=ln 5>0,所以 x 0∈
(4,5),故[ x 0]=4.
C
考点二 判断函数的零点个数
(1)若函数 f ( x )=| x |,则函数 y = f ( x )- | x |的零点个
数是( D )
A. 5 B. 4 C. 3 D. 2
在同一平面直角坐标系中作出 f ( x )=| x |, g ( x )= | x |的图象
(图略),则 y = f ( x )- | x |的零点个数,即 f ( x )与 g ( x )图象的交点
个数,由图象可知有2个交点.
D
例2
(2)设函数 f ( x )是定义在R上的奇函数,当 x >0时, f ( x )=e x + x -3,则
f ( x )的零点个数为( C )
A. 1 B. 2 C. 3 D. 4
因为函数 f ( x )是定义域为R的奇函数,所以 f (0)=0,即 x =0是函数 f ( x )
的1个零点.
C
当 x >0时,令 f ( x )=e x + x -3=0,则e x =- x +3,分别画出函数 y =e x 和 y =- x +3的图象,如图所示,两函数图象有1个交点,
所以函数 f ( x )有1个零点.
根据对称性知,当 x <0时,函数 f ( x )也有1个零点.综上所述, f ( x )的零点个数为3.
函数零点个数的判断方法
1. 直接求零点.
2. 利用零点存在定理,再结合函数的单调性确定零点个数.
3. 利用函数图象的交点个数判断.
方法总结
3. (2024·山东济南质检)函数 f ( x )= x · cos 2 x 在区间[0,2π]上的零点的个
数为( D )
A. 2 B. 3 C. 4 D. 5
f ( x )= x · cos 2 x =0⇒ x =0或 cos 2 x =0.又 cos 2 x =0在[0,2π]上有 ,
, , 共4个根,故原函数有5个零点.
D
跟踪训练
考点三 函数零点的综合应用
(1)(2024·陕西安康模拟)若函数 f ( x )= -ln( x + a )在(0,+∞)
上存在零点,则实数 a 的取值范围是( D )
D
例3
A. B. (-e,+∞)
C. D. (-∞,e)
由题意知,函数 y =e- x 与 g ( x )=ln( x + a )的图象在(0,+∞)上有交点.
当 a >0时, g ( x )=ln( x + a )的图象是由函数 y =ln x 的图象向左平移 a
个单位长度得到的,
根据图象可知此时只需要 g (0)=ln a <1,
即0< a <e;
当 a ≤0时, g ( x )=ln( x + a )的图象是由函数 y =ln x 的图象向右平移- a 个单位长度得到的,
此时在(0,+∞)上 y =e- x 与 g ( x )的图象恒有交点,满足条件.
综上, a <e,即实数 a 的取值范围是(-∞,e).
(2)(2024·河北唐山模拟)已知函数 f ( x )=若 g ( x )= f ( x )- a 有3个零点,则实数 a 的取值范围为( B )
A. (-1,0) B.
C. D. ∪{-1}
B
令 h '( x )>0,得0< x <e,令 h '( x )<0,得 x >e,
所以函数 h ( x )在(0,e)上单调递增,在(e,+∞)上单调递减.所以 h ( x )max= h (e)= .
因为函数 g ( x )= f ( x )- a 有3个零点,
所以方程 f ( x )= a 有3个解.
作出函数 y = f ( x )和 y = a 的图象如图所示,
设 h ( x )= ( x >0),则 h '( x )= ,
所以实数 a 的取值范围为 .
根据函数零点的情况求参数的三种常用方法
1. 直接法:直接根据题设条件构建关于参数的不等式,再通过解不等
式确定参数范围.
2. 分离参数法:先将参数分离,转化成求函数值域问题加以解决.
3. 数形结合法:先对解析式变形,在同一平面直角坐标系中画出函数
的图象,然后数形结合求解.
方法总结
4. (2024·北京模拟)已知函数 f ( x )=3 x - .若存在 x 0∈(-∞,-1),使
得 f ( x 0)=0,则实数 a 的取值范围是( B )
A. B.
C. (-∞,0) D.
由 f ( x )=3 x - =0,可得 a =3 x - ,
令 g ( x )=3 x - ,其中 x ∈(-∞,-1),
由于存在 x 0∈(-∞,-1),使得 f ( x 0)=0,
B
跟踪训练
所以实数 a 的取值范围即为函数 g ( x )在(-∞,-1)上的值域.
由于函数 y =3 x , y =- 在区间(-∞,-1)上均单调递增,
所以函数 g ( x )在(-∞,-1)上单调递增.
当 x ∈(-∞,-1)时,
g ( x )=3 x - < g (-1)=3-1+1= ,
又 g ( x )=3 x - >0,
所以函数 g ( x )在(-∞,-1)上的值域为 .因此实数 a 的取值范围
是 .
课时作业 巩固提升
[A组 基础保分练]
1. (2024·山东潍坊模拟)函数 f ( x )=( x 2- x )ln|2 x -3|在区间[-2,2]
上的零点个数是( A )
A. 3 B. 4 C. 5 D. 6
求函数 f ( x )=( x 2- x )ln|2 x -3|在区间[-2,2]上的零点个数,
转化为方程( x 2- x )ln|2 x -3|=0在区间[-2,2]上的根的个数.
由( x 2- x )ln|2 x -3|=0,得 x 2- x =0或ln|2 x -3|=0,
解得 x =0或 x =1或 x =2,
所以函数 f ( x )=( x 2- x )ln|2 x -3|在区间[-2,2]上的零点个数为3.
A
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2. (2024·上海模拟)若函数 f ( x )=ln x - + a 在区间(1,e)上存在零点,
则实数 a 的取值范围为( C )
A. (0,1) B.
C. D.
∵函数 f ( x )=ln x - + a 在区间(1,e)上为增函数,且在区间(1,e)上存在零点,∴ f (1)=ln 1-1+ a <0, f (e)=ln e- + a >0,解得 -1< a <1.
C
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3. (2024·河北唐山模拟)函数 f ( x )=3 x +2 x 的零点所在的一个区间是
( C )
A. (1,2) B. (0,1)
C. (-1,0) D. (-2,-1)
∵ f ( x )=3 x +2 x 在R上的图象是连续不断的, f (-2)=3-2+2×(-2)= -4<0,
f (-1)=3-1+2×(-1)= -2<0, f (0)=1>0, f (1)=3+2>0, f (2)=
9+4>0,
∴ f (-1) f (0)<0,∴函数 f ( x )的零点所在的一个区间是(-1,0).
C
1
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4. (2024·江西南昌模拟)函数 f ( x )= sin 2 x - · cos 2 x +1在区间[0,π]
内的零点个数是( A )
A. 2 B. 3 C. 4 D. 5
由 f ( x )=2 sin +1=0,
得 sin =- ,
又0≤ x ≤π,所以- ≤2 x - ≤ ,
所以2 x - =- 或 ,
解得 x = 或 ,
所以函数 f ( x )在[0,π]的零点个数是2.
A
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5. (2024·江苏南通模拟)已知方程ln x =11-2 x 的实数解为 x 0,且 x 0∈( k , k +1), k ∈N+,则 k =( D )
A. 1 B. 2 C. 3 D. 4
令 f ( x )=ln x +2 x -11,
由 f (1) f (2)=-9(ln 2-7)>0,
f (2) f (3)=(ln 2-7)(ln 3-5)>0,
f (3) f (4)=(ln 3-5)(ln 4-3)>0,
f (4) f (5)=(ln 4-3)(ln 5-1)<0,
可知 k =4.
D
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6. (多选)设函数 f ( x )=若函数 g ( x )
=[ f ( x )]2+ bf ( x )+ c 有三个零点 x 1, x 2, x 3,则下列说法正确的是
( ABC )
A. b 的值为-2
B. c 的值为1
C. a 的值无法确定
D. x 1 x 2+ x 2 x 3+ x 1 x 3=10
ABC
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作出函数 f ( x )的大致图象如图所示,由图可得关于 x 的方程 f ( x )= t 的根
有两个或三个( t =1时有三个, t ≠1时有两个),所以关于 t 的方程 t 2+ bt
+ c =0只能有一个根 t =1(若有两个根,则关于 x 的方程[ f ( x )]2+ bf ( x )
+ c =0有四个或五个根),由根与系数的关系得- b =1+1, c =1×1=
1,得 b =-2,所以A,B正确;不妨设 x 1< x 2< x 3,令 f ( x )=1,可得
x 1, x 2, x 3的值分别为1,2,3,则 x 1 x 2+ x 2 x 3+
x 1 x 3=1×2+2×3+1×3=11,由log a |1-2|+1
=1,得 a 0=1( a >1),故 a 的值无法确定,所以C
正确、D错误.
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7. (多选)若函数 f ( x )=有两个不同的零点,则实数 a 的
取值可能为( BC )
A. -1 B. C. 1 D. 2
当 x >0时,由 f ( x )=ln x =0,得 x =1.
因为函数 f ( x )有两个不同的零点,
所以当 x ≤0时,函数 f ( x )=2 x - a 有一个零点.
令 f ( x )=0,得 a =2 x .
因为0<2 x ≤20=1,
所以0< a ≤1,所以B,C正确.
BC
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8. 函数 f ( x )=| x 2-2 x |- a 2-1( a >0)的零点的个数是 .
令 f ( x )=0,则| x 2-2 x |= a 2+1.
因为 a >0,所以 a 2+1>1.
作出函数 y =| x 2-2 x |的图象如图所示,
所以函数 y =| x 2-2 x |的图象与 y = a 2+1的图象总有两个交点,因
此函数 f ( x )=| x 2-2 x |- a 2-1有2个零点.
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9. 已知函数 f ( x )=3 x + x -5的零点 x 0∈[ a , b ],且 b - a =1, a , b ∈
N+,则 a = , b = .
∵函数 f ( x )=3 x + x -5,∴ f (1)=31+1-5=-1<0, f (2)=32+2-5=
6>0,
∴ f (1) f (2)<0,且函数 f ( x )在R上单调递增,
∴ f ( x )的零点 x 0在区间(1,2)内,∴ a =1, b =2.
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10. 函数 f ( x )= x 2-2 x -1-| x -1|的所有零点之和等于 .
f ( x )= x 2-2 x -1-| x -1|=| x -1|2-| x -1|-2.令 t =| x -1|( t ≥0),则 g ( t )= t 2- t -2= - .若 g ( t )=0,则 t =2,所以| x -1|=2,所以 x =3或 x =-1,故所有零点之和为2.
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11. (2024·四川遂宁模拟)已知 a >0且 a ≠1,方程 xa =ln x ( x >0)有且仅有
两个不等根,则 a 的取值范围为 .
由 xa =ln x >0,得ln(ln x )= a ln x ( x >1).
令ln x = t ( t >0),则 a = ,
设函数 g ( t )= ,得 g '( t )= .令 g '( t )=0,得 t =e.
在(0,e)上, g '( t )>0, g ( t )单调递增;在(e,+∞)上, g '( t )<0, g ( t )
单调递减,
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所以 g ( t )max= g (e)= , g =-e<0,又当 t >1时, g ( t )>0
恒成立,
因为方程 xa =ln x ( x >0)有且仅有两个不等根,
所以曲线 y = g ( t )= 图象与直线 y = a 有两个交点的充分必要条件是
0< a < ,
所以 a 的取值范围是 .
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[B组 能力提升练]
12. (2024·天津模拟)已知三个函数 f ( x )=2 x + x -2, g ( x )= x 3-8, h
( x )=log2 x + x -2的零点依次为 a , b , c ,则 a + b + c =( C )
A. 6 B. 5 C. 4 D. 3
C
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已知三个函数 f ( x )=2 x + x -2, g ( x )= x 3-8, h ( x )=log2 x + x -2的零点依次为 a , b , c ,令 f ( x )=2 x + x -2=0, h ( x )=log2 x + x -2=0,则2 x =2- x ,log2 x =2- x ,即 a , c 分别为直线 y =2- x 与函数 y =2 x ,
y =log2 x 图象交点的横坐标.因为 y =2 x , y =log2 x 互为反函数,其图象关于直线 y = x 对称,而直线 y =2- x 与 y = x 垂直,交点坐标为(1,1),故 a + c =2.又由 b 3-8=0,得 b =2,所以 a + b + c =4.
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13. 若函数 f ( x )=(其中e为自然对数的底数),则函
数 h ( x )= f ( f ( x ))- f ( x )的零点个数为( D )
A. 2 B. 3 C. 4 D. 5
D
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根据题意,函数 h ( x )零点的个数等价于方程 f ( f ( x ))= f ( x )解的个数,
f ( f ( x ))= f ( x )的解等价于 f ( x )= x 的解,画出函数 y = f ( x )的图象和直线
y = x ,可知函数 y = f ( x )的图象与直线 y = x 有(-2,-2)和(e,e)两个
公共点.
∵ f ( x )在 ,(0,+∞)上为增函数,在 上为减函数,
f =- <-2,∴ f ( x )=-2有两个解.∵ f (0)=1,且当 x 从0的左侧趋近于0时,函数 f ( x )的值趋近于4,比e大,
∴ f ( x )=e有三个解,∴函数 h ( x )的零点共有5个.
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14. 已知函数 f ( x )=若 f ( x )= a ( a ∈R)有四个不等
实根,则所有实根之积的取值范围是( B )
A. (-∞,1) B. [0,1)
C. (0,1) D. (1,+∞)
B
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lg x 3+lg x 4=lg( x 3 x 4)=0,
∴ x 3 x 4=1,∴ x 1 x 2 x 3 x 4= x 1 x 2=(-2- x 2)· x 2=-( x 2+1)2+1∈[0,1).
设四个根依次为 x 1, x 2, x 3, x 4( x 1< x 2< x 3< x 4),
则-2≤ x 1<-1,-1< x 2≤0, x 1+ x 2=-2,
由|lg x 3|=|lg x 4|,得-lg x 3=lg x 4,则
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15. (多选)若函数 f ( x )=恰有两个零点,则实数
a 的取值可能为( BCD )
A. 0 B. C. 2 D. 3
BCD
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当 a =2时, f ( x )=
当 a =3时, f ( x )=通过画图(图略)很容易判断
B,C,D成立,A不成立.
当 a =0时, f ( x )=
当 a = 时, f ( x )=
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16. (多选)已知函数 f ( x )是定义在R上的奇函数,且 x >0时, f ( x )=( x -
2)e x ,则下列结论正确的是( ABD )
A. f ( x )>0的解集为(-2,0)∪(2,+∞)
B. 当 x <0时, f ( x )=( x +2)e- x
C. f ( x )有且只有两个零点
D. ∀ x 1, x 2∈[1,2],| f ( x 1)- f ( x 2)|≤e
ABD
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当 x >0时, f ( x )<0的解集为(0,2), f ( x )>0的解集为(2,+∞),由 f ( x )为奇函数可知选项A正确;当 x <0时, f ( x )=- f (- x )=-(- x -2)e- x =( x +2)·e- x ,选项B正确;当 x >0时, x =2为 f ( x )的零点,因为 f ( x )是定义在R上的奇函数,所以 f (0)=0, f (-2)=0,故 f ( x )有且只有三个零点,选项C错误;当 x >0时, f '( x )=( x -1)e x ,故 f ( x )在[1,2]上单调递增,所以 f ( x )min= f (1)=-e, f ( x )max= f (2)=0,所以| f ( x 1)- f ( x 2)|≤
f ( x )max- f ( x )min=e,选项D正确.
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17. (2024·黑龙江哈尔滨模拟)已知实数 x , y 满足ln + y =2,e x + x =5,则 x +2 y = .
由ln + y =2,即ln =2- y ,
即e4-2 y =2 y +1,
令4-2 y = t ,则2 y =4- t ,
即e t =5- t ,即e t + t -5=0.
由e x + x =5,得e x + x -5=0,
设函数 f ( x )=e x + x -5,显然该函数为增函数,
又 f (1)· f (2)=(e-4)×(e2-3)<0,
4
所以函数 f ( x )=e x + x -5在(1,2)上有唯一的零点,
因此 t = x ,即4-2 y = x ,
所以 x +2 y =4.
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[C组 高考新动向]
18. (2024·山东烟台模拟)已知函数 f ( x )=若 f ( x )= m 存在四个不相等的实根 x 1, x 2, x 3, x 4( x 1< x 2< x 3< x 4),则4 + x 1 x 2 x 4的最小值是 .
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由图可得0< m <1,
∵ f ( x )= m 存在四个不相等的实根 x 1, x 2, x 3, x 4,
可得 x 1<-1< x 2< x 3<1< x 4,
可得ln(- x 1)=-ln(- x 2), x 3= ,即 x 1 x 2=1, x 3 x 4=1,
作函数 f ( x )=与 y = m 图象如图所示.
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所以4 + x 1 x 2 x 4=4 + x 4=4 + x 4=4 + + ≥3
=3,
当且仅当4 = ,即 x 4=2且 x 3= 时等号成立,则4 + x 1 x 2 x 4的
最小值是3.
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