内容正文:
§2.11 函数的零点与方程的解
课标要求 1.理解函数的零点与方程的解的联系.2.理解函数零点存在定理,并能简单应用.3.了解用二分法求方程的近似解.
知识梳理
1.函数的零点与方程的解
(1)函数零点的概念
对于一般函数y=f(x),我们把使f(x)=0的实数x叫做函数y=f(x)的零点.
(2)函数零点与方程实数解的关系
方程f(x)=0有实数解⇔函数y=f(x)有零点⇔函数y=f(x)的图象与x轴有公共点.
(3)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f(a)f(b)<0,那么,函数y=f(x)在区间(a,b)内至少有一个零点,即存在c∈(a,b),使得f(c)=0,这个c也就是方程f(x)=0的解.
2.二分法
对于在区间[a,b]上图象连续不断且f(a)f(b)<0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.
常用结论
若连续不断的函数f(x)是定义域上的单调函数,则f(x)至多有一个零点.
自主诊断
1.判断下列结论是否正确.(请在括号中打“√”或“×”)
(1)函数的零点就是函数的图象与x轴的交点.( × )
(2)连续函数y=f(x)在区间(a,b)内有零点,则f(a)f(b)<0.( × )
(3)连续函数y=f(x)满足f(a)f(b)>0,则f(x)在区间(a,b)上没有零点.( × )
(4)求函数零点的近似值都可以用二分法.( × )
2.下列函数中,不能用二分法求零点的是( )
A.y=2x B.y=(x-2)2
C.y=x+-3 D.y=ln x
答案 B
解析 对于B,y=(x-2)2有唯一零点x=2,但函数值在零点两侧同号,则不可用二分法求零点.
3.(2023·太原模拟)函数f(x)=-log2x的零点所在的区间是( )
A.(0,1) B.(1,2)
C.(2,3) D.(3,4)
答案 C
解析 函数f(x)=-log2x在(0,+∞)上单调递减,
又f(1)=3-log21=3>0,f(2)=-log22=>0,f(3)=-log23=1-log23<0,
所以f(2)f(3)<0,则f(x)有唯一零点,且在区间(2,3)内.
4.函数f(x)=的零点是________.
答案 1,-2
解析 根据题意,函数f(x)=
若f(x)=0,即或
解得x=1或x=-2,即函数的零点为1,-2.
题型一 函数零点所在区间的判定
例1 (1)(2023·宣城模拟)方程-+1=0的根所在的区间是(参考数据:ln 2≈0.69,ln 3≈1.10)( )
A.(1,2) B.(2,e) C.(e,3) D.(3,4)
答案 B
解析 对于方程-+1=0,
有x>0,可得x+ln x-e=0,
令f(x)=x+ln x-e,其中x>0,
因为函数y=x-e,y=ln x均在(0,+∞)上单调递增,故函数f(x)在(0,+∞)上单调递增,
因为f(1)=1-e<0,f(2)=2+ln 2-e<0,f(e)=1>0,所以f(2)f(e)<0,
由函数零点存在定理可知,函数f(x)的零点在区间(2,e)内,则方程-+1=0的根所在的区间是(2,e).
(2)用二分法求方程-+1=0在区间(2,3)内的根的近似值,至少经过________次二分后精确度达到0.1( )
A.2 B.3 C.4 D.5
答案 C
解析 ∵开区间(2,3)的长度等于1,
每经过一次操作,区间长度变为原来的一半,
经过n次操作后,区间长度变为,
故有<0.1,解得n≥4,
∴至少经过4次二分后精确度达到0.1.
思维升华 确定函数零点所在区间的常用方法
(1)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.
(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.
跟踪训练1 (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
答案 A
解析 函数y=f(x)是图象开口向上的二次函数,最多有两个零点,由于a<b<c,则a-b<0,a-c<0,b-c<0,因此f(a)=(a-b)(a-c)>0,f(b)=(b-c)(b-a)<0,f(c)=(c-a)(c-b)>0.
所以f(a)f(b)<0,f(b)f(c)<0,
即f(x)在区间(a,b)和区间(b,c)内各有一个零点.
(2)函数f(x)=log2x+2x-6,函数f(x)的零点所在的区间为(n,n+1)且n∈N,则n=________.
答案 2
解析 函数f(x)=log2x+2x-6的定义域为(0,+∞),且在(0,+∞)上单调递增,
f(2)=log22+22-6=-1<0,
f(3)=log23+23-6=log23+2>0,
即f(2)f(3)<0,
因此函数f(x)的唯一零点在(2,3)内,所以n=2.
题型二 函数零点个数的判定
例2 (1)(2023·咸阳模拟)函数f(x)=的零点个数为( )
A.5 B.4 C.3 D.2
答案 D
解析 当x≤0时,x2-1=0,解得x=-1;
当x>0时,f(x)=x-2+ln x在(0,+∞)上单调递增,并且f(1)=1-2+ln 1=-1<0,
f(2)=2-2+ln 2=ln 2>0,即f(1)f(2)<0,
所以函数f(x)在区间(1,2)内必有一个零点,
综上,函数f(x)的零点个数为2.
(2)(2023·三明模拟)已知函数f(x)是定义在R上的偶函数,且f(x-2)=f(x),当0≤x≤1时,f(x)=x,设函数g(x)=f(x)-log7|x|,则函数g(x)的零点个数为( )
A.6 B.8 C.12 D.14
答案 C
解析 依题意可知,函数f(x)是定义在R上的偶函数,且f(x-2)=f(x),
所以f(x)=f(-x)=f(-x-2)=f(x+2),
即函数f(x)是以2为周期的偶函数,
令g(x)=f(x)-log7|x|=0,即f(x)=log7|x|,
在同一平面直角坐标系中分别作出y=f(x)和y=log7|x|的图象,如图所示.
由图象可知,两函数图象共有12个交点,
即函数g(x)共有12个零点.
思维升华 求解函数零点个数的基本方法
(1)直接法:令f(x)=0,方程有多少个不同的实数根,则f(x)有多少个零点.
(2)定理法:利用函数零点存在定理时往往还要结合函数的单调性、奇偶性等.
(3)图象法:一般是把函数拆分为两个简单函数,依据两函数图象的交点个数得出函数的零点个数.
跟踪训练2 (1)(2024·渭南模拟)函数f(x)=3x|log2x|-1的零点个数为( )
A.0 B.1 C.2 D.3
答案 C
解析 函数f(x)=3x|log2x|-1的零点,
即3x|log2x|-1=0的解,即|log2x|=x的解,
即y=|log2x|与y=x图象的交点,如图所示,
从函数图象可知,y=|log2x|与y=x有2个交点,即函数f(x)的零点个数为2.
(2)函数f(x)=·cos x的零点个数为________.
答案 6
解析 令36-x2≥0,解得-6≤x≤6,
所以f(x)的定义域为[-6,6].
令f(x)=0得36-x2=0或cos x=0,
由36-x2=0得x=±6,
由cos x=0得x=+kπ,k∈Z,
又x∈[-6,6],所以x的取值为-,-,,.
故f(x)共有6个零点.
题型三 函数零点的应用
命题点1 根据函数零点个数求参数
例3 (2023·安阳模拟)已知函数f(x)=的图象与直线y=k-x有3个不同的交点,则实数k的取值范围是( )
A. B.(0,+∞)
C. D.(0,2]
答案 D
解析 如图所示,作出函数f(x)的大致图象(实线),平移直线y=k-x,
由k-x=x2+2x+2可得,
x2+3x+2-k=0,
Δ=9-8+4k=0,解得k=-,
故当k=-时,直线y=--x与曲线y=x2+2x+2(x≤0)相切;
当k=0时,直线y=-x经过点(0,0),且与曲线y=x2+2x+2(x≤0)有2个不同的交点;
当k=2时,直线y=2-x经过点(0,2),
且与f(x)的图象有3个不同的交点.
由图分析可知,当k∈(0,2]时,f(x)的图象与直线y=k-x有3个不同的交点.
命题点2 根据函数零点的范围求参数
例4 (2023·北京模拟)已知函数f(x)=3x-.若存在x0∈(-∞,-1),使得f(x0)=0,则实数a的取值范围是( )
A. B.
C.(-∞,0) D.
答案 B
解析 由f(x)=3x-=0,可得a=3x-,
令g(x)=3x-,其中x∈(-∞,-1),
由于存在x0∈(-∞,-1),使得f(x0)=0,
则实数a的取值范围即为函数g(x)在(-∞,-1)上的值域.
由于函数y=3x,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)=3x-<g(-1)=3-1+1=,
又当x∈(-∞,-1)时,g(x)=3x->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.
思维升华 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(组),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,转化成求函数值域确定参数范围.
(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,然后利用数形结合法求解.
跟踪训练3 (1)(2024·邵阳模拟)已知函数f(x)=若g(x)=f(x)-a有4个零点,则实数a的取值范围为( )
A.(0,4) B.(0,3)
C.(0,2) D.(0,1)
答案 A
解析 作出y=f(x)的图象(实线),如图所示,
g(x)=f(x)-a有4个零点,即y=f(x)与y=a的图象有4个交点,
所以实数a的取值范围为(0,4).
(2)(2023·天津模拟)函数f(x)=2alog2x+a·4x+3在区间上有零点,则实数a的取值范围是( )
A.a<- B.a<-
C.-<a<- D.a<-
答案 D
解析 当a=0时,f(x)=3,不符合题意;
当a>0时,由于函数y=2alog2x,y=a·4x+3在上均单调递增,
此时函数f(x)在上单调递增;
当a<0时,由于函数y=2alog2x,y=a·4x+3在上均单调递减,
此时函数f(x)在上单调递减.
因为函数f(x)在区间上有零点,
所以f f(1)<0,
即3(4a+3)<0,解得a<-.
课时精练
一、单项选择题
1.下列函数的图象均与x轴有交点,其中不宜用二分法求函数零点的是( )
答案 C
解析 由题意知,利用二分法求函数的零点时,该函数的零点必须是变号零点,所以根据这个条件可知,不宜用二分法求函数零点的是选项C.
2.(2023·临沂模拟)函数f(x)=ln x+2x-5的零点所在的区间是( )
A.(1,2) B.(2,3)
C.(3,4) D.(4,5)
答案 B
解析 由于y=ln x,y=2x-5在(0,+∞)上都单调递增,故函数f(x)=ln x+2x-5在(0,+∞)上为增函数,
又f(1)=-3<0,f(2)=ln 2-1<0,f(3)=ln 3+1>0,即f(2)f(3)<0,
故f(x)=ln x+2x-5在(2,3)内有唯一零点.
3.(2023·重庆检测)已知函数f(x)=x-e-x的部分函数值如表所示,那么函数f(x)的零点的一个近似值(精确度为0.1)为( )
x
1
0.5
0.75
0.625
0.562 5
f(x)
0.632 1
-0.106 5
0.277 6
0.089 7
-0.007
A.0.55 B.0.57 C.0.65 D.0.7
答案 B
解析 易知f(x)在[0,1]上单调递增,
由表格得f(0.562 5)f(0.625)<0,
且|0.625-0.562 5|=0.062 5<0.1,
∴函数零点在(0.562 5,0.625)内,
∴根据选项可知,函数f(x)的零点的一个近似值为0.57.
4.(2023·濮阳模拟)设函数f(x)=log3-a在区间(1,2)内有零点,则实数a的取值范围是( )
A.(-1,-log32) B.(0,log32)
C.(log32,1) D.(1,log34)
答案 C
解析 令f(x)=0得a=log3,
令h(x)=log3=log3,
由复合函数单调性可知,h(x)在(1,2)上单调递减,
h(2)=log32,h(1)=log33=1,
故当x∈(1,2)时,h(x)∈(log32,1),
要使f(x)=log3-a在区间(1,2)内有零点,
则a∈(log32,1).
5.(2023·东莞模拟)我国南北朝数学家何承天发明的“调日法”是程序化寻求精确分数来表示数值的算法,其理论依据是:设实数x的不足近似值和过剩近似值分别为和(a,b,c,d∈N*),则是x的更为精确的不足近似值或过剩近似值.我们知道=2.236 067…,令<<,则第一次用“调日法”后得是的更为精确的过剩近似值,即<<,若每次都取最简分数,则用“调日法”得到的近似分数与实际值误差小于0.01的次数为( )
A.五 B.四 C.三 D.二
答案 A
解析 第一次用“调日法”后得<<,不符合题意;
第二次用“调日法”后得<<,不符合题意;
第三次用“调日法”后得<<,不符合题意;
第四次用“调日法”后得<<,不符合题意;
第五次用“调日法”后得<<,且<0.01,符合题意,
即用“调日法”得到的近似分数与实际值误差小于0.01的次数为五.
6.(2024·安庆模拟)已知函数f(x)=若函数g(x)=f(x)-|x2-kx|恰有3个零点,则实数k的取值范围是( )
A.(-∞,-1)∪(1,+∞)
B.(1,+∞)
C.(-∞,-1]∪(1,+∞)
D.(-∞,-1)∪[1,+∞)
答案 A
解析 由题意得,方程=|x-k|有三个不相等的实数根.
而y==
分别作出函数y=和y=|x-k|的图象,
当k=1时,y=|x-1|;
当x≥1时,y==ln x,对其求导得y′=,
所以y′|x=1=1,所以曲线y=ln x在点(1,0)处的切线方程为y=x-1,
如图,直线y=x-1与曲线y=ln x在点(1,0)相切.
所以k的取值范围是(-∞,-1)∪(1,+∞).
二、多项选择题
7.(2023·安康模拟)下列函数在区间(-1,3)内存在唯一零点的是( )
A.f(x)=x2-2x-8 B.f(x)=
C.f(x)=2x-1-1 D.f(x)=1-ln(x+2)
答案 BCD
解析 对于A,∵x2-2x-8=0的解为x=-2,x=4,
∴f(x)在区间(-1,3)内没有零点,故A错误;
对于B,∵f(x)=在[-1,+∞)上为增函数,
且f(-1)=-2<0,f(3)=8-2=6>0,
即f(-1)f(3)<0,
∴f(x)在区间(-1,3)内存在唯一零点,故B正确;
对于C,∵f(x)=2x-1-1在R上为增函数,且f(-1)=-<0,f(3)=3>0,即f(-1)f(3)<0,
∴f(x)在区间(-1,3)内存在唯一零点,故C正确;
∵f(x)=1-ln(x+2)在(-2,+∞)上为减函数,
且f(-1)=1>0,f(3)=1-ln 5<0,
即f(-1)f(3)<0,
∴f(x)在区间(-1,3)内存在唯一零点,故D正确.
8.设函数f(x)是定义在R上的奇函数,对任意x∈R,都有f(1-x)=f(1+x),且当x∈[0,1]时,f(x)=2x-1,若函数g(x)=f(x)-loga(x+2)(a>0且a≠1)在(-1,7)上恰有4个不同的零点,则实数a的值可以是( )
A.log32 B.log32 C.3log23 D.9log23
答案 AD
解析 ∵函数f(x)是定义在R上的奇函数,
当x∈[0,1]时,f(x)=2x-1,
∴当x∈[-1,0]时,-x∈[0,1],
∴f(x)=-f(-x)=-2-x+1,
即当x∈[-1,0]时,f(x)=-2-x+1,
又对任意x∈R,都有f(1-x)=f(1+x),
则f(x)的图象关于直线x=1对称,
且f(-x)=f(2+x)=-f(x),
∴f(x)=f(x+4),即函数f(x)是以4为周期的函数,
又由函数g(x)=f(x)-loga(x+2)(a>0且a≠1)在(-1,7)上恰有4个不同的零点,
得函数y=f(x)与y=loga(x+2)的图象在(-1,7)上有4个不同的交点,
又f(1)=f(5)=1,f(-1)=f(3)=f(7)=-1,
当a>1时,由图可得loga(5+2)<1=logaa,解得a>7;
当0<a<1时,由图可得loga(7+2)>-1=logaa-1,
解得0<a<.
综上可得a∈∪(7,+∞),
故选项A,D满足条件.
三、填空题
9.(2024·赣州模拟)用二分法求方程x3+x-5=0的近似解时,已经将根锁定在区间(1,3)内,则下一步可断定该根所在的区间为________.
答案 (1,2)
解析 令f(x)=x3+x-5,
则f(2)=8+2-5=5>0,f(3)=27+3-5=25>0,f(1)=1+1-5=-3<0,
由f(1)f(2)<0知根所在区间为(1,2).
10.(2023·南充模拟)设正实数a,b,c分别满足a·2a=b·log3b=c·log2c=1,则a,b,c的大小关系为________.
答案 b>c>a
解析 由已知可得=2a,=log3b,=log2c,
作出y=,y=2x,y=log3x,y=log2x的图象如图所示,
则y=2x,y=log3x,y=log2x的图象与y=的图象的交点的横坐标分别为a,b,c,
由图象可得b>c>a.
11.如果关于x的方程2x+3x+4x=ax(a∈N*)在区间(1,2)内有解,a的一个取值可以为________.
答案 6(答案不唯一)
解析 因为2x+3x+4x=ax在(1,2)内有解,故a>4,方程2x+3x+4x=ax可化为
x+x+x-1=0,
令f(x)=x+x+x-1,
因为a>4,所以f(x)在R上单调递减,
所以即
解得<a<9,
又a∈N*,所以a=6或a=7或a=8.
12.已知函数f(x)=(λ∈R),若函数f(x)恰有2个零点,则实数λ的取值范围是________.
答案 (2,4]∪(5,+∞)
解析 作出函数y=x-5,y=x2-6x+8的图象,如图所示,
依题意f(x)=有2个零点,
由图象可得实数λ的取值范围是(2,4]∪(5,+∞).
四、解答题
13.已知函数f(x)=ax2+bx+c,且f(1)=-,3a>2c>2b.求证:
(1)a>0且-3<<-;
(2)函数f(x)在区间(0,2)内至少有一个零点.
证明 (1)∵f(1)=a+b+c=-,
∴c=-a-b.∵3a>2c=-3a-2b,
∴3a>-b.∵2c>2b,∴-3a>4b.
若a>0,则-3<<-;
若a=0,则0>-b,0>b,不成立;
若a<0,则<-3,>-,不成立.
综上,a>0且-3<<-.
(2)f(0)=c,f(2)=4a+2b+c,f(1)=-,
Δ=b2-4ac=b2+4ab+6a2=(b+2a)2+2a2>0.
当c>0时,f(0)>0,f(1)<0,
∴f(x)在(0,2)内至少有一个零点;
当c=0时,f(0)=0,f(1)<0,f(2)=4a+2b=a>0,
∴f(x)在(0,2)内有一个零点;
当c<0时,f(0)<0,f(1)<0,b=-a-c,f(2)=4a-3a-2c+c=a-c>0,∴f(x)在(0,2)内有一个零点.综上,f(x)在(0,2)内至少有一个零点.
14.(2024·天水模拟)已知函数f(x)=log2(2+x)-log2(2-x).
(1)判断f(x)的奇偶性;
(2)若关于x的方程f(x)=log2(a+x)有两个不同的实数根,求实数a的取值范围.
解 (1)f(x)为奇函数,理由如下:
由题意得解得-2<x<2,即函数f(x)的定义域为(-2,2),故定义域关于原点对称.
又f(-x)=log2(2-x)-log2(2+x)=-f(x),
故f(x)为奇函数.
(2)由f(x)=log2(a+x),
得log2(2+x)-log2(2-x)=log2(a+x),
所以=a+x,所以a=-x=-x=+(2-x)-3,
故方程f(x)=log2(a+x)有两个不同的实数根可转化为方程a=+(2-x)-3在区间(-2,2)上有两个不同的实数根,
即函数y=a与y=+(2-x)-3在区间(-2,2)上的图象有两个交点.
设t=2-x,x∈(-2,2),则y=+t-3,t∈(0,4).
作出函数y=+t-3,t∈(0,4)的图象,如图所示.
当1<a<2时,函数y=a与y=+t-3,t∈(0,4)的图象有两个交点,即关于x的方程f(x)=log2(a+x)有两个不同的实数根,
故实数a的取值范围是(1,2).
15.(2023·南通模拟)函数f(x)=x2 023|x|,若方程(x+sin x)f(x)-ax2=0只有三个解x1,x2,x3,且x1<x2<x3,则sin x2+2 023x1x3的取值范围是( )
A.(0,+∞) B.(2 023,+∞)
C.(-∞,-2 023) D.(-∞,0)
答案 D
解析 因为(x+sin x)f(x)-ax2=0,
f(x)=x2 023|x|,
所以(x+sin x)x2 023|x|-ax2=0,
①当x=0时,方程成立;
②若x≠0,(x+sin x)x2 023|x|-ax2=0可化为
(x+sin x)x2 021|x|-a=0⇔(x+sin x)x2 021|x|=a,
令F(x)=(x+sin x)x2 021|x|,
因为定义域关于原点对称,
且F(-x)=[-x+sin(-x)](-x)2 021|-x|=(x+sin x)x2 021|x|=F(x),
所以F(x)为偶函数,图象关于y轴对称,
所以F(x)与y=a的两个交点对应的横坐标关于y轴对称,即方程(x+sin x)x2 021|x|=a的另外两解一定一正一负,
又x1<x2<x3,
所以x1<0,x2=0,x3>0,且x1=-x3≠0,
所以sin x2+2 023x1x3=-2 023x<0.
16.(2023·永州模拟)已知函数f(x)=若关于x的方程f(x)=m有4个不同的根,记为x1,x2,x3,x4(x1<x2<x3<x4),且λ>x1-x2+恒成立,则λ的取值范围是______.
答案 (2,+∞)
解析 f(x)=
=
作出函数的图象如图所示,
则可得-2<x1<-1<x2<0<x3<1<x4,
因为f(x1)=f(x2)=f(x3)=f(x4)=m,
所以-ln(x1+2)=-ln(-x2)=-ln x3=ln x4,
所以x1+2=-x2=x3=,
所以x1=x3-2,x2=-x3,x4=,
因为λ>x1-x2+恒成立,
所以λx>2x3-,
所以λ>=-+=-2+2,对任意x3∈(0,1)恒成立,即λ>max,
所以当x3=时,函数y=-2+2取到最大值2,所以λ>2,
即λ的取值范围为(2,+∞).
谢谢
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