内容正文:
第8节 函数与方程
第二章
函数、导数及其应用
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第二章 函数、导数及其应用
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夯实 必备知识
跃升 关键能力
01
02
课时作业
04
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课时作业
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第二章 函数、导数及其应用
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课程标准
1.结合二次函数的图象,了解函数的零点与方程根的联系,会判断一元二次方程根的存在性及根的个数.
2.根据具体连续函数及其图象的特点,了解函数零点存在定理,探索用二分法求方程近似解的思路,能借助计算工具用二分法求方程近似解,了解用二分法求方程近似解具有一般性
核心素养
1.判断函数零点的个数,发展直观想象素养.
2.确定函数零点所在的区间,达成直观想象和逻辑推理素养.
3.函数零点的应用,提升直观想象和逻辑推理素养
考情聚焦
由零点存在性定理判断零点是否存在和零点所在的区间,求方程的根,函数的零点个数,基本初等函数的图象是高考的热点.以函数的零点,方程的根及函数图象的交点之间的等价转化为桥梁,考查转化与化归思想,考查函数与方程思想,数形结合等思想.本部分内容在高考中以选择题或填空题形式考查的居多,在解答题中也有所体现,难度较大
[必备知识]
1.函数的零点
(1)函数零点的概念
对于函数y=f(x),把使 f(x)=0 的实数x叫做函数y=f(x)的零点.
(2)函数零点与方程根的关系
方程f(x)=0有实数根⇔函数y=f(x)的图象与 x轴 有交点⇔函数y=f(x)有 零点 .
(3)零点存在性定理
如果函数y=f(x)满足:①在区间[a,b]上的图象是连续不断的一条曲线;② f(a)·f(b)<0 ;则函数y=f(x)在(a,b)上存在零点,即存在c∈(a,b),使得f(c)=0,这个c也就是方程f(x)=0的根.
2.二次函数y=ax2+bx+c(a>0)的图象与零点的关系
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)
(x1,0)
无交点
零点个数
2
1
0
3.二分法
对于在区间[a,b]上连续不断且 f(a)·f(b)<0 的函数y=f(x),通过不断地把函数f(x)的零点所在的区间 一分为二 使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.
1.若函数y=f(x)在闭区间[a,b]上的图象是连续不断的一条曲线,并且有f(a)·f(b)<0,则函数y=f(x)一定有零点.
2.由函数y=f(x)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.
3.若函数f(x)在(a,b)上单调,且f(x)的图象是连续不断的一条曲线,则f(a)·f(b)<0⇒函数f(x)在[a,b]上只有一个零点.
[自主诊断]
[思考辨析]
判断下列说法是否正确,正确的在它后面的括号里打“√”,错误的打“×”.
(1) 函数f(x)=x2-1的零点是(-1,0)和(1,0).( )
(2) 函数y=f(x)在区间(a,b)内有零点(函数图象连续不断),则一定有f(a)·f(b)<0.( )
(3) 函数y=2sin x-1的零点有无数多个.( )
(4) 二次函数y=ax2+bx+c(a≠0)在b2-4ac<0时没有零点.( )
答案:(1)× (2)× (3)√ (4)√
[小题查验]
1.下列函数图象与x轴均有公共点,其中能用二分法求零点的是( )
解析:C [A,B图中零点两侧不异号,D图不连续.]
2.(2025·天津卷)函数f(x)=0.3x-eq \r(x)的零点所在区间是( )
A.(0,0.3)
B.(0.3,0.5)
C.(0.5,1)
D.(1,2)
解析:B [f(x)=0.3x-eq \r(x)(x>0)在(0,+∞)上单调递减.
∵f(0.3)=0.30.3-eq \r(0.3)=0.30.3-0.30.5>0.
f(0.5)=0.30.5-eq \r(0.5)=0.30.5-0.50.5<0,
∴f(x)的零点在区间(0.3,0.5)上.]
3.函数f(x)=ex+3x的零点个数是( )
A.0
B.1
C.2
D.3
解析:B [由已知得f′(x)=ex+3>0,所以f(x)在R上单调递增,又f(-1)=eq \f(1,e)-3<0,f(0)=1>0,因此函数f(x)有且只有一个零点.]
4.用二分法求函数f(x)=3x-x-4的一个零点,其参考数据如下:
f(1.600 0)=0.200
f(1.587 5)=0.133
f(1.575 0)=0.067
f(1.562 5)=0.003
f(1.556 2)=-0.029
f(1.550 0)=-0.060
据此数据,可得f(x)=3x-x-4的一个零点的近似值(保留三位有效数字)为____________.
解析:由题意知,函数零点在区间(1.556 2,1.562 5)内,又零点近似值保留三位有效数字,故零点近似值为1.56.
答案:1.56
5.函数f(x)是定义在R上的偶函数,且满足f(x+2)=f(x).当x∈[0,1]时,f(x)=2x.若在区间[-2,3]上方程ax+2a-f(x)=0恰有四个不相等的实数根,则实数a的取值范围是____________.
解析:由f(x+2)=f(x)知函数f(x)是以2为周期的周期函数,又f(x)为偶函数,故函数在[-2,3]上的图象如图所示.
直线y=ax+2a过定点(-2,0),在区间[-2,3]上方程ax+2a-f(x)=0恰有四个不相等的实数根,等价于直线y=ax+2a与函数y=f(x)的图象有四个不同的公共点,结合图形可得实数a满足不等式3a+2a>2,且a+2a<2,即eq \f(2,5)<a<eq \f(2,3).
答案:eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(2,5),\f(2,3)))
考点一 确定函数零点所在的区间(自主练透)
[题组集训]
1.若a<b<c,则函数f(x)=(x-a)(x-b)+(x-b)·(x-c)+(x-c)(x-a)的两个零点分别位于区间( )
A.(a,b)和(b,c)内
B.(-∞,a)和(a,b)内
C.(b,c)和(c,+∞)内
D.(-∞,a)和(c,+∞)内
解析:A [∵a<b<c,∴f(a)=(a-b)(a-c)>0,
f(b)=(b-c)(b-a)<0,f(c)=(c-a)(c-b)>0,
由函数零点存在性定理可知:在区间(a,b),(b,c)内分别存在零点,又函数f(x)是二次函数,最多有两个零点;因此函数f(x)的两个零点分别位于区间(a,b),(b,c)内.]
2.设f(x)=ln x+x-2,则函数f(x)的零点所在的区间为( )
A.(0,1)
B.(1,2)
C.(2,3)
D.(3,4)
解析:B [法一 函数f(x)的零点所在的区间可转化为函数g(x)=ln x,h(x)=-x+2图象交点的横坐标所在的取值范围.作图如右:
可知f(x)的零点所在的区间为(1,2).
法二 易知f(x)=ln x+x-2在(0,+∞)上为增函数,且f(1)=1-2=-1<0,f(2)=ln 2>0.
所以根据函数零点存在性定理可知在区间(1,2)内函数存在零点.]
3.(2025·大理州一模)已知三个函数f(x)=2x+x,g(x)=x-1,h(x)=log3x+x的零点依次为a,b,c,则( )
A.a<b<c
B.b<a<c
C.c<a<b
D.a<c<b
解析:D [令f(x)=2x+x=0,解得x<0,
令g(x)=x-1=0,解得x=1,由h(x)=log3x+x,
令heq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,3)))=-1+eq \f(1,3)<0,h(1)=1>0,又函数h(x)是增函数,因此h(x)的零点x0∈eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,3),1)).
则b>c>a.]
确定函数f(x)的零点所在区间的常用方法
(1)利用函数零点的存在性定理: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.
考点二 判断函数零点的个数(师生共研)
[典例] 已知f(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(|lg x|,x>0,,2|x|,x≤0,))则函数y=2f2(x)-3f(x)+1的零点个数是_________.
数学抽象、直观想象——确定函数零点个数中的核心素养
信息提取
信息解读
数学抽象、直观想象
f(x)=
当x>0时,y=|lg x|的图象是函数y=lg x的图象在x轴上方的部分保持不变,x轴下方的部分沿x轴对称到x轴上方
在同一坐标系中画出函数y=|lg x|在x>0时的图象和函数y=2|x|在x≤0时的图象
当x≤0时,y=2|x|=2-x=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))x的图象就是y=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))x的图象在y轴左侧的部分
函数y=2f2(x)-3f(x)+1的零点
函数的零点就是方程的根
函数y=2f2(x)-3f(x)+1的零点,即方程2f2(x)-3f(x)+1=0的根
函数y=2f2(x)-3f(x)+1的零点,也就是方程2f2(x)-3f(x)+1=0的根,把f(x)看成一个整体,本方程就是关于f(x)的一元二次方程,通过解方程可以得出f(x)=1或eq \f(1,2)
解方程2f2(x)-3f(x)+1=0,得f(x)=1或eq \f(1,2)
函数y=2f2(x)-3f(x)+1的零点
解方程2f2(x)-3f(x)+1=0的根,是解适合此方程的x的值,也就是方程f(x)=eq \f(1,2)或f(x)=1对应的x的值
结合函数f(x)的图象,观察y=eq \f(1,2)和y=1与y=f(x)的图象交点个数
零点个数
函数的零点个数就是对应方程的根的个数,即方程f(x)=eq \f(1,2)或f(x)=1对应的x的值的个数,转化为y=eq \f(1,2)和y=1与y=f(x)的图象交点个数,借助图象利用数形结合求解
y=eq \f(1,2)和y=1与函数y=f(x)的图象交点个数之和即为本题的零点个数
[解析] 第一步 作函数y=f(x)的图象
作出函数y=f(x)的图象.
第二步 解方程2f2(x)-3f(x)+1=0
由2f2(x)-3f(x)+1=0,得f(x)=eq \f(1,2)或f(x)=1.
第三步 观察y=eq \f(1,2)和y=1与y=f(x)的图象交点个数
由图象知y=eq \f(1,2)与y=f(x)的图象有2个交点,
y=1与y=f(x)的图象有3个交点.
第四步 得出函数的零点个数
因此函数y=2f2(x)-3f(x)+1的零点有5个.
[答案] 5
判断函数y=f(x)零点个数的常用方法
(1)直接法:令f(x)=0,则方程实根的个数就是函数零点的个数.
(2)零点存在性定理法:判断函数在区间[a,b]上是连续不断的曲线,且f(a)·f(b)<0,再结合函数的图象与性质(如单调性、奇偶性、周期性、对称性)可确定函数的零点个数.
(3)数形结合法:转化为两个函数的图象的交点个数问题.(画出两个函数的图象,其交点的个数就是函数零点的个数)
[跟踪训练]
1.已知函数f(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x2-1,x≤0,,log2x,x>0.))则函数y=f(x)的零点个数是( )
A.0 B.1 C.2
D.3
解析:C [f(x)=0时,得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x≤0,,x2-1=0))或
eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x>0,,log2x=0,))解得x=-1或x=1.故所求函数的零点个数是2.]
2.(2025·成都二模)已知函数f(x)=|lg x|-kx-2,给出下列四个结论:
①若k=0,则f(x)有两个零点;
②∃k<0,使得f(x)有一个零点;
③∃k<0,使得f(x)有三个零点;
④∃k>0,使得f(x)有三个零点.
以上正确结论的序号是____________.
解析:令f(x)=|lg x|-kx-2=0,可转化成两个函数y1=|lg x|,y2=kx+2的交点问题.
对于①,当k=0时,|lg x|=2,两个交点,①正确;
对于②,存在k<0,使y1=|lg x|与y2=kx+2相切,②正确;
对于③,若k<0,y1=|lg x|与y2=kx+2最多有2个交点,③错误;
对于④,当k>0时,过点(0,2)存在函数g(x)=lg x(x>1)的切线,此时共有两个交点,当直线斜率稍微小于相切时的斜率时,就会有3个交点,故④正确.综上可知①②④符合题意.
答案:①②④
考点三 函数零点的应用(子母变式)
数学建模——唇齿相依的函数与方程
函数的思想,是用运动和变化的观点、集合与对应的思想,去分析和研究数学问题中的数量关系,建立函数关系式或构造函数,运用函数的图象和性质去分析问题、转化问题,从而使问题获得解决.
方程的思想,就是分析数学问题中的变量间的等量关系,从而建立方程(组)或构造方程,通过解方程或方程组,或者运用方程的性质去分析、转化问题,使问题获得解决.
[母题] 若函数f(x)=xln x-a有两个零点,则实数a的取值范围为____________.
[解析] 令g(x)=xln x,h(x)=a,则问题可转化成函数g(x)与h(x)的图象有两个交点.g′(x)=ln x+1,令g′(x)<0,即ln x<-1,可解得0<x<eq \f(1,e);令g′(x)>0,即ln x>-1,可解得x>eq \f(1,e),所以,当0<x<eq \f(1,e)时,函数g(x)单调递减;当x>eq \f(1,e)时,函数g(x)单调递增,由此可知当x=eq \f(1,e)时,g(x)min=-eq \f(1,e).
在同一坐标系中作出函数g(x)和h(x)的简图如图所示,据图可得-eq \f(1,e)<a<0.故实数a的取值范围为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(1,e),0)).
[答案] eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(1,e),0))
[子题1] 若本例中f(x)有且只有一个零点,则实数a的取值范围是__________.
解析:由本例解析知a=-eq \f(1,e)或a≥0.
答案:[0,+∞)∪eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\co1(-\f(1,e)))
[子题2] 若函数变为f(x)=ln x-x-a,其他条件不变,则a的取值范围是_________.
解析:函数f(x)=ln x-x-a的零点,即为关于x的方程ln x-x-a=0的实根,将方程ln x-x-a=0,化为方程ln x=x+a,令y1=ln x,y2=x+a,由导数知识可知,直线y2=x+a与曲线y1=ln x相切时有a=-1,所以关于x的方程ln x-x-a=0有两个不同的实根,实数a的取值范围是(-∞,-1).
答案:(-∞,-1)
[子题3] 若函数变为f(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(xln x-a,x>0,,-x2-2x-a,x≤0,))
若函数y=f(x)有三个零点,则实数a的取值范围是__________.
解析:令g(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(xln x,x>0,,-x2-2x,x≤0,))h(x)=a,则问题转化为g(x)与h(x)的图象有三个交点,g(x)图象如图.由图象知-eq \f(1,e)<a<1.故实数a的取值范围是eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(1,e),1)).
答案:eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(1,e),1))
由函数的零点或方程的根的存在情况求参数的取值范围常用的方法
(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:先将参数分离得a=f(x),再转化成求函数f(x)值域问题加以解决.
(3)数形结合法:先对解析式变形,再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.
$