内容正文:
专题2
函数与基本初等函数
1
第14讲 函数与方程
目
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课标要求
夯基固本
考点探究
01
03
02
课标要求
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夯基固本
知识梳理
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f(x)=0
x轴
零点
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连续不断
<
一个零点
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f(a)f(b)<0
一分为二
零点
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f(a)f(b)<0
零点
(a,c)
(c,b)
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夯基固本
常用结论
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夯基固本
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夯基固本
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夯基固本
热身练习
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B
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夯基固本
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考点探究
探究点1
探究点2
探究点3
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探究点1 二次函数的零点及分布
D
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探究点2
探究点3
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A
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规律与技巧
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变式探究
(,)
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变式探究
C
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探究点2 函数零点的判断与大小比较
C
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(6,]
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A
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探究点3 含参变量的函数零点问题
(0,3)
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1.结合二次函数的图象,了解函数的零点与方程根的联系,判断一元二次方程根的存在性及根的个数.
2.了解“二分法”的含义并能运用;理解函数零点存在定理并能运用.
1.函数的零点
(1)函数零点的定义
对于一般函数y=f(x),我们把使______________的实数x叫做函数y=f(x)的零点.
(2)三个等价关系
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____________.
(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____________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___________,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
(1)二分法的意义
对于区间[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________,使所得区间的两个端点逐步逼近______________,进而得到零点近似值的方法叫做二分法.
(2)给定精确度ε,用二分法求函数f(x)零点x0的近似值的一般步骤如下:
第一步,确定零点x0的初始区间[a,b],验证_______.
第二步,求区间(a,b)的中点c.
第三步,计算f(c),并进一步确定零点所在的区间:
①若f(c)=0(此时x0=c),则c就是函数的_________;
②若f(a)f(c)<0(此时x0∈____________),则令b=c;
③若f(c)f(b)<0(此时x0∈____________),则令a=c.
第四步,判断是否达到精确度ε:若|a-b|<ε,则得到零点近似值a(或b);否则重复第二至第四步.
1.有关函数零点的结论
(1)若连续函数f(x)在定义域上是单调函数,则f(x)至多有一个零点.
(2)连续函数,其相邻两个零点之间的所有函数值保持同号.
(3)连续函数的图象通过零点时,函数值可能变号,也可能不变号.
2.二次函数f(x)=ax2+bx+c(a>0)零点的分布
零点的分布
(m,n,p为常数)
图象
满足条件
x1<x2<m
eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(Δ>0,-\f(b,2a)<m,f(m)>0))
零点的分布
(m,n,p为常数)
图象
满足条件
m<x1<x2
eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(Δ>0,-\f(b,2a)>m,f(m)>0))
x1<m<x2
f(m)<0
零点的分布
(m,n,p为常数)
图象
满足条件
m<x1<x2<n
eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(Δ>0,m<-\f(b,2a)<n,f(m)>0,f(n)>0))
m<x1<n<x2<p
eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(f(m)>0,f(n)<0,f(p)>0))
零点的分布
(m,n,p为常数)
图 象
满足条件
只有一个零点
在(m,n)之间
eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(Δ=0,m<-\f(b,2a)<n))
或f(m)f(n)<0
3.三个等价关系的推广
方程f(x)-g(x)=0有实根⇔函数y=f(x)与y=g(x)的图象有交点⇔函数F(x)=f(x)-g(x)有零点.
1.(教材母题必修4.5例2改编)函数f(x)=2x+3x-3的零点所在区间是( )
A.(0, eq \f(1,2)) B.( eq \f(1,2),1)
C.(1, eq \f(3,2)) D.( eq \f(3,2),2)
解析:因为f(x)是R上的增函数,
且f( eq \f(1,2))= eq \r(2)- eq \f(3,2)<0,
f(1)=2>0,
所以f(x)的零点在区间( eq \f(1,2),1)内.故选B.
2.用二分法求方程x+lg x-3=0的近似解,以下区间可以作为初始区间的是( )
A.[1,2]
B.[2,3]
C.[3,4]
D.[4,5]
解析:设f(x)=x+lg x-3,显然函数图象是连续的,
则有f(1)=-2<0,
f(2)=lg 2-1<0,
f(3)=lg 3>0,
所以f(2)f(3)<0,
故区间[2,3]可以作为初始区间,故选B.
3.设函数f(x)=x+log2x-m,若函数f(x)在( eq \f(1,4),8)上存在零点,则实数m的取值范围是( )
A.(- eq \f(7,4),5)
B.(- eq \f(7,4),11)
C.( eq \f(9,4),5)
D.( eq \f(9,4),11)
解析:函数f(x)=x+log2x-m在( eq \f(1,4),8)上单调递增,
又函数f(x)在( eq \f(1,4),8)上存在零点,
需 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(f(\f(1,4))=\f(1,4)+log2\f(1,4)-m<0,,f(8)=8+log28-m>0,))
解得- eq \f(7,4)<m<11.故选B.
4.(2025·山东威海期末)已知函数y=f(x)的图象是连续不断的,且f(x)的两个相邻的零点是1,2,则“∃x0∈(1,2),f(x0)>0”是“∀x∈(1,2),f(x)>0”的( )
A.充分不必要条件
B.必要不充分条件
C.充要条件
D.既不充分也不必要条件
解析:由题意知,f(1)=f(2)=0,
对任意x∈(1,2),f(x)≠0,
而函数y=f(x)的图象是连续不断的,
由∃x0∈(1,2),f(x0)>0,
可得∀x∈(1,2),f(x)>0,充分性成立,
反之∀x∈(1,2),f(x)>0,
显然可推出∃x0∈(1,2),f(x0)>0,必要性成立,
故“∃x0∈(1,2),f(x0)>0”是“∀x∈(1,2),f(x)>0”的充要条件,故选C.
5.(教材母题必修习题4.5T13改编)方程x2+ax-2=0在区间[1,5]上有解,则实数a的取值范围为______________.
解析:令f(x)=x2+ax-2,
因为f(0)=-2<0,且f(x)开口向上,
故f(x)在区间[1,5]上最多有一个零点,
结合零点存在性定理可得,
若方程x2+ax-2=0在区间[1,5]上有解,
则 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(f(1)≤0,,f(5)≥0,))
即 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(12+a-2≤0,,52+5a-2≥0,))
解得a∈[- eq \f(23,5),1].
【例1】(1)(2024·全国专题练习)关于x的方程ax2+(a+2)x+9a=0有两个不相等的实数根x1,x2,且x1<1<x2,那么实数a的取值范围是( )
A.- eq \f(2,7)<a< eq \f(2,5)
B.a> eq \f(2,5)
C.a<- eq \f(2,7)
D.- eq \f(2,11)<a<0
解析:(1)当a=0时,ax2+(a+2)x+9a=0
即为2x=0,不符合题意;
故a≠0,ax2+(a+2)x+9a=0
即为x2+(1+ eq \f(2,a))x+9=0,
令y=x2+(1+ eq \f(2,a))x+9,
由于关于x的方程ax2+(a+2)x+9a=0有两个不相等的实数根x1,x2,且x1<1<x2,
则y=ax2+(a+2)x+9a与x轴有两个交点,且分布在1的两侧,
故x=1时,y<0,即1+(1+ eq \f(2,a))×1+9<0,
解得 eq \f(2,a)<-11,故- eq \f(2,11)<a<0,故选D.
【例1】(2)(2025·四川模拟)若关于x的方程x2-2ax+a+2=0在区间(-2,1)上有两个不相等的实数解,则实数a的取值范围是( )
A.(- eq \f(6,5),-1)
B.(- eq \f(6,5),1)
C.(-∞,- eq \f(6,5))∪(-1,+∞) D.(-∞,- eq \f(6,5))∪(1,+∞)
解析:(2)令g(x)=x2-2ax+a+2,因为方程x2-2ax+a+2=0在区间(-2,1)上有两个不相等的实数解,
所以 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(Δ>0,,-2<a<1,,g(-2)>0,,g(1)>0,))
即 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(Δ=4a2-4(a+2)>0,,-2<a<1,,4+4a+a+2>0,,1-2a+a+2>0,))
解得- eq \f(6,5)<a<-1,
所以实数a的取值范围是(- eq \f(6,5),-1).故选A.
利用二次函数的图象,采用数形结合是求解二次函数零点分布问题的基本方法.求解时,一般要考虑如下四个方面:开口方向、方程有解的条件、对称轴的位置、区间端点函数值的正负.其中方程有解的条件可以是:①Δ≥0;②函数零点存在定理.
1.若函数f(x)=(m-2)x2+mx+2m+1的两个零点分别在区间(-1,0)和区间(1,2)内,则实数m的取值范围是______________.
解析:依题意,结合函数f(x)的图象分析可知,
m需满足 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(m≠2,,f(-1)f(0)<0,,f(1)f(2)<0,))
即 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(m≠2,,(m-2-m+2m+1)(2m+1)<0,,(m-2+m+2m+1)[4(m-2)+2m+2m+1]<0,))
解得 eq \f(1,4)<m< eq \f(1,2).
2.已知y=(x-m)(x-n)+2024(m<n),且α,β(α<β)是方程y=0的两实数根,则α,β,m,n的大小关系为( )
A.α<m<n<β
B.m<α<n<β
C.m<α<β<n
D.α<m<β<n
解析:因为α,β为方程y=0的两实数根,所以α,β为函数y=(x-m)(x-n)+2024的图象与x轴交点的横坐标.令y1=(x-m)(x-n),所以m,n为函数y1=(x-m)(x-n)的图象与x轴交点的横坐标,易知函数y=(x-m)(x-n)+2024的图象可由y1=(x-m)(x-n)的图象向上平移2024个单位长度得到,所以m<α<β<n.故选C.
【例2】(1)(2025·浙江绍兴模拟)若函数y=f(x)(x∈R)满足f(x+1)=-f(x),且x∈[-1,1]时,f(x)=1-x2,已知函数g(x)= eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(|lg x|,x>0,,ex,x<0,))则函数h(x)=f(x)-g(x)在区间[-6,6]内的零点个数为( )
A.14
B.13 C.12
D.11
解析:(1)因为f(x+1)=-f(x),
所以函数y=f(x)(x∈R)是周期为2的函数.
因为x∈[-1,1]时,f(x)=1-x2,
则y=f(x)的图象如图所示.(注意拓展它的区间)
再作出函数g(x)= eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(|lg x|,x>0,,ex,x<0))的图象,
易得函数f(x)与g(x)的图象在区间[-6,6]内的交点有12个,
故h(x)在区间[-6,6]内的零点个数为12.故选C.
【例2】(2)(2024·黑龙江齐齐哈尔模拟)已知三个函数f(x)=x3+x-3,g(x)=22x+x-2,h(x)=ln x+x-5的零点依次为a,b,c,则a,b,c的大小关系为( )
A.c>b>a
B.a>c>b
C.a>b>c
D.c>a>b
解析:(2)因为y=x3,y=22x在R上为增函数,
y=ln x在(0,+∞)上为增函数,
所以由题知函数f(x),g(x),h(x)在各自定义域上都为增函数,
又f(1)=-1<0,f(2)=7>0,所以a∈(1,2);
g(0)=-1<0,g(1)=3>0,所以b∈(0,1);
h(3)=ln 3-2<0,h(4)=ln 4-1>0,
所以c∈(3,4),所以c>a>b.故选D.
【例2】(3)已知f(x)= eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(|x+2|,x≤0,,|log3x|,x>0,))若方程f(x)-a=0有四个根x1,x2,x3,x4,且x1<x2<x3<x4,则x3-x1+x4-x2的取值范围为________________.
解析:(3)因为方程f(x)-a=0有四个根x1,x2,x3,x4,
故函数f(x)= eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(|x+2|,x≤0,,|log3x|,x>0))的图象与直线y=a有四个交点,
它们的横坐标分别为x1,x2,x3,x4,如图所示,
当x≤0时,|x1+2|=|x2+2|,且x1<x2,故x1+x2=-4,
当x>0时,|log3x3|=|log3x4|,且x3<x4,
所以log3x3=-log3x4,解得x3x4=1,
因为函数f(x)= eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(|x+2|,x≤0,,|log3x|,x>0))的图象与直线y=a有四个交点,
由图可得,0<log3x4≤2,故1<x4≤9,
所以x3-x1+x4-x2=x3+x4+4=x4+ eq \f(1,x4)+4,
令h(x)=x+ eq \f(1,x)+4,x∈(1,9],
易得h(x)在(1,9]上单调递增,
所以h(x)>h(1)=6,h(x)max=h(9)= eq \f(118,9),
故x3-x1+x4-x2的取值范围是(6, eq \f(118,9)].
判断方程的根的个数、函数的零点个数等问题,常用方法有:
(1)直接求零点.令f(x)=0,如果能求出解,则有几个解就有几个零点.
(2)利用函数零点存在定理.利用定理不仅要函数在区间[a,b]上是连续不断的曲线,且f(a)·f(b)<0,还必须结合函数的性质(如单调性、奇偶性等)才能确定函数有多少个零点.
(3)利用函数图象交点的个数.将函数变形为两个函数的差,画出两个函数的图象,看其有几个交点,就有几个不同的零点.
3.已知f(x)为定义在R上的奇函数,当x>0时,f(x)单调递增,且f(- eq \r(2))=0,f( eq \f(1,2))<-3,f(2)>3,则函数g(x)=|f(x)|-3的零点个数为( )
A.4
B.3 C.2
D.1
解析:当x>0时,f(x)单调递增,且f(- eq \r(2))=0,
且f(x)为定义在R上的奇函数,
所以f(-x)=-f(x),
可得f( eq \r(2))=0且f(x)在(-∞,0)上单调递增.
由g(x)=|f(x)|-3=0,得|f(x)|=3.
又因为f( eq \f(1,2))<-3,f(2)>3,可得|f( eq \f(1,2))|>3,|f(2)|>3,
又f(x)为定义在R上的奇函数,所以|f(- eq \f(1,2))|>3,|f(-2)|>3.根据题意作出满足要求的y=|f(x)|的大致图象如图.
由图知,直线y=3与y=|f(x)|的图象有4个公共点,所以g(x)=|f(x)|-3有4个零点.
故选A.
4.(2025·新疆乌鲁木齐段考)设x>0,函数y=x2+x-7,y=2x+x-7,y=log2x+x-7的零点分别为a,b,c,则a,b,c的大小关系为( )
A.a<b<c
B.b<a<c
C.a<c<b
D.c<a<b
解析:分别令y=x2+x-7=0,y=2x+x-7=0,
y=log2x+x-7=0,
则x2=-x+7,2x=-x+7,log2x=-x+7,
则a,b,c分别为函数y=-x+7与函数y=x2,y=2x,y=log2x图象交点的横坐标,
分别作出函数y=x2,y=-x+7,
y=2x,y=log2x的图象,如图所示,
由图可知,a<b<c.故选A.
5.(多选)(2023·广东高一统考)已知函数f(x)= eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x2-2x+1,x≥0,,|ln (-x)|,x<0,))函数y=f(x)-a有四个不同的零点x1,x2,x3,x4,且x1<x2<x3<x4,则( )
A.实数a的取值范围是(0,1)
B.x1x2=1
C.x3+x4=2
D.x1(x3+x4)+eq \o\al(2,1) eq \f(1,xx2)
>2 eq \r(2)
解析:因为函数y=f(x)-a有四个不同的零点x1,x2,x3,x4,所以方程f(x)=a有四个不同的解,即函数y=f(x)与y=a的图象有四个不同的交点,如图.
由图可知,0<a<1,
x1<-1<x2<0<x3<1<x4,
且x3+x4=2×1=2,ln (-x1)=-ln (-x2),
得ln (-x1)+ln (-x2)=ln (x1x2)=0,解得x1x2=1,
所以x1(x3+x4)+eq \o\al(2,1) eq \f(1,xx2)
=2x1+ eq \f(1,x1)=-[(-2x1)+(- eq \f(1,x1))]
≤-2 eq \r((-2x1)·(-\f(1,x1)))=-2 eq \r(2),
当且仅当-2x1=- eq \f(1,x1),即x1=- eq \f(\r(2),2)时等号成立,
但x1<-1,故等号不成立,
所以x1(x3+x4)+eq \o\al(2,1) eq \f(1,xx2)
<-2 eq \r(2).故选ABC.
【例3】(1)(2024·全国专题练习)函数f(x)=x·2x-kx-2在区间(1,2)内有零点,则实数k的取值范围是____________.
解析:(1)令f(x)=0,则x·2x-kx-2=0,
即k=2x- eq \f(2,x),
即y=k与g(x)=2x- eq \f(2,x),x∈(1,2)的图象有交点,
因为y=2x和y=- eq \f(2,x)在(1,2)上单调递增,
所以g(x)=2x- eq \f(2,x)在(1,2)上单调递增,
所以g(1)<g(x)<g(2),
即0<g(x)<3,
所以0<k<3,
即实数k的取值范围是(0,3).
【例3】(2)已知函数f(x)=3x- eq \f(1+ax,x).若存在x0∈(-∞,-1),使得f(x0)=0,则实数a的取值范围是____________.
解析:(2)由f(x)=3x- eq \f(1+ax,x)=0,可得a=3x- eq \f(1,x),
令g(x)=3x- eq \f(1,x),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=- eq \f(1,x)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- eq \f(1,x)<3-1+1= eq \f(4,3),
又g(x)=3x- eq \f(1,x)>0,
所以函数g(x)在(-∞,-1)上的值域为(0, eq \f(4,3)).
因此实数a的取值范围是(0, eq \f(4,3)).
【例3】(3)函数f(x)=x+log2x-4的零点为x1,函数g(x)=x+loga(x-1)-5的零点为x2,若x2-x1>1,则实数a的取值范围为( )
A.(1, eq \r(2))
B.(1,2)
C.( eq \r(2),+∞)
D.(2,+∞)
解析:(3)因为f(x)=x+log2x-4,
易得f(x)在(0,+∞)上单调递增,
又f(2)=2+log22-4=-1<0,
f(4)=4+log24-4=2>0,
所以f(x)在(2,4)上存在唯一零点,即2<x1<4,
又由已知可得x1+log2x1-4=0,
x2+loga(x2-1)-5=0,
所以x1+log2x1-4=x2+loga(x2-1)-5,
即x1+log2x1=x2-1+loga(x2-1),
因为x2-x1>1,所以x2-1>x1,
结合选项可知无须考虑0<a<1,
则y=x+log2x和y=x-1+loga(x-1)(a>1)这两个函数均为增函数,
所以x1+log2x1=x2-1+loga(x2-1)>x1+logax1,
即log2x1>logax1,
所以 eq \f(ln x1,ln 2)> eq \f(ln x1,ln a),
又2<x1<4,即ln x1>ln 2>0,
所以 eq \f(1,ln 2)> eq \f(1,ln a),即ln a>ln 2,所以a>2.故选D.
已知函数有零点(方程有根),求参数的取值范围常用的三种方法.
(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.
6.(2024·新课标Ⅱ卷)设函数f(x)=a(x+1)2-1,g(x)=cos x+2ax,当x∈(-1,1)时,曲线y=f(x)与y=g(x)恰有一个交点,则a=( )
A.-1
B. eq \f(1,2)
C.1
D.2
解析:(方法1)令f(x)=g(x),
即a(x+1)2-1=cos x+2ax,可得ax2+a-1=cos x,
令F(x)=ax2+a-1,G(x)=cos x,
原题意等价于当x∈(-1,1)时,
曲线y=F(x)与y=G(x)恰有一个交点,
注意到F(x),G(x)均为偶函数,
可知该交点只能在y轴上,可得F(0)=G(0),
即a-1=1,解得a=2.故选D.
若a=2,令F(x)=G(x),可得2x2+1-cos x=0,
因为x∈(-1,1),则2x2≥0,1-cos x≥0,
当且仅当x=0时,等号成立,
可得2x2+1-cos x≥0,
当且仅当x=0时,等号成立,
则方程2x2+1-cos x=0有且仅有一个实根0,
即曲线y=F(x)与y=G(x)恰有一个交点,
所以a=2符合题意.综上所述,a=2.故选D.
(方法2)令h(x)=f(x)-g(x)=ax2+a-1-cos x,x∈(-1,1),原题意等价于h(x)有且仅有一个零点,
因为h(-x)=a(-x)2+a-1-cos (-x)=
ax2+a-1-cos x=h(x),则h(x)为偶函数,
根据偶函数的对称性可知h(x)的零点只能为0,
即h(0)=a-2=0,解得a=2.
若a=2,则h(x)=2x2+1-cos x,x∈(-1,1),
又因为2x2≥0,1-cos x≥0,可得h(x)≥0,
当且仅当x=0时,等号成立,
即h(x)有且仅有一个零点0,
所以a=2符合题意.故选D.
7.(2024·海南模拟)已知函数f(x)= eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(lg (-x),x<0,,1-|x-1|,0≤x<2,,f(x-2),x≥2))的图象在区间(-t,t)(t>0)内恰好有5对关于y轴对称的点,则t的值可以是( )
A.4 B.5 C.6 D.7
解析:令g(x)= eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(1-|x-1|,0≤x<2,,g(x-2),x≥2,))m(x)=lg x,
因为m(x)=lg x与y=lg (-x)的图象关于y轴对称,
已知函数f(x)= eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(lg (-x),x<0,,1-|x-1|,0≤x<2,,f(x-2),x≥2))的图象在区间(-t,t)(t>0)内恰好有5对关于y轴对称的点,
所以问题转化为m(x)=lg x与g(x)= eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(1-|x-1|,0≤x<2,g(x-2),x≥2))的图象在(0,t)(t>0)内有5个不同的交点,在同一平面直角坐标系中作出m(x)=lg x与g(x)= eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(1-|x-1|,0≤x<2,,g(x-2),x≥2))的图象如图所示.
因为m(10)=lg 10=1,当x>10时,m(x)>1,
g(1)=g(3)=g(5)=g(7)=g(9)=g(11)=1,
结合图象及选项可得t的值可以是6,其他值均不符合要求.故选C.
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