内容正文:
第4章 §4.4 函数与方程
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4.4.2
计算函数零点的二分法
1.了解二分法的原理及其适用条件.
2.掌握二分法的操作步骤.
3.体会二分法中蕴含的逐步逼近与程序化思想.
学习目标
同学们,前几天有个同事买了一部手机,为了游戏更有趣,我暂且不能告诉大家是什么牌子的手机,我可以告诉大家这部手机的价位在2 000元~
3 000元,如果我给大家5次猜价的机会,我只能告诉大家猜的价格比真实值多或少,大家能否猜出与手机真实价钱的误差在50元以内的价钱?注意啊,你的机会只有5次!要解决这个问题,接下来,让我们一起探究解决这个问题的方法吧.
导 语
一、二分法的理解
二、用二分法求函数零点的近似值
课时对点练
三、二分法的应用
内容索引
二分法的理解
一
在一个风雨交加的夜里,从某水库闸房到防洪指挥部的电话线路发生了故障.这是一条10 km长的线路,在这条线路上有200多根电线杆.想一想:维修工人应怎样最合理地迅速查出故障所在地呢?
问题1
提示 如图所示.工人首先从线路的中点C查起,如果CB段正常,就选择CA的中点D测试;如果DA段正常,就选择DC的中点E继续测试……像检修线路所用的这种方法称作二分法.
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的区间一分为二,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作二分法.
知识梳理
(1)二分法的求解原理是函数零点存在定理.
(2)用二分法只能求变号零点,即零点左右两侧的函数值的符号相反.比如y=x2,该函数有零点为0,但不能用二分法求解.
注 意 点
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8
(1)(多选)下列函数图象与x轴均有交点,能用二分法求函数零点近似值的是
例 1
√
√
√
9
根据二分法的定义,知函数f(x)在区间[a,b]上的图象连续不断,且f(a)·f(b)<0,即函数的零点是变号零点,才能将区间[a,b]一分为二,逐步得到零点的近似值.对各图象分析可知,选项A,B,C都符合条件,而选项D不符合,因为零点左右两侧的函数值不变号,所以不能用二分法求函数零点的近似值.
解析
10
(2)已知f(x)=x2+6x+c有零点,但不能用二分法求出,则c的值是
A.9 B.8 C.7 D.6
√
11
运用二分法求函数的零点应具备的条件
(1)函数图象在零点附近连续不断.
(2)在该零点左右两侧的函数值异号.
反
思
感
悟
12
已知函数f(x)的图象如图,其中零点的个数与可以用二分法求解的零点的个数分别为
A.4,4 B.3,4
C.5,4 D.4,3
跟踪训练 1
图象与x轴有4个交点,所以零点的个数为4;左右两侧的函数值异号的零点有3个,所以可以用二分法求解的个数为3.
解析
√
13
二
用二分法求函数零点的近似值
按上述思路,你能想办法求函数f(x)=x3-3零点的近似值吗?
问题2
提示 由于f(1)=-2<0,f(2)=5>0,因此可以确定区间[1,2]作为计算的初始区间,用二分法逐步计算,列表如下:
零点所在区间 中点的值 中点函数近似值
(1,2) 1.5 0.375
(1,1.5) 1.25 -1.046 9
(1.25,1.5) 1.375 -0.400 4
(1.375,1.5) 1.437 5 -0.029 5
当然,我们可以一直重复下去,这样的话,也会使求得的函数零点更精确,显然,这可能是一个无休止的过程,即便是计算机,也可能被累死机.实际上,如果我们一开始给一个误差范围的话,只要满足了给出的误差范围,我们就可以停止计算,比如,该问题中,我们给出误差不超过0.1.
由于|1.5-1.437 5|=0.062 5<0.1,所以原函数的一个正实数零点可取为1.437 5.
用二分法求函数零点近似值的一般操作方法
设函数y=f(x)定义在区间D上,其图象是一条连续曲线.我们希望求它在D上的一个零点x0的近似值x,使它与零点的误差不超过给定的正数ε,即使得|x-x0|≤ε.
第1步,在D内取一个闭区间[a,b]⊆D,使f(a)与f(b)异号,即f(a)·f(b)<0;
第2步,取区间[a,b]的中点m=(a+b);
第3步,计算f(m),并进一步确定零点所在的区间:
(1)如果f(m)=0(此时x0=m),则m就是函数的零点;
知识梳理
(2)若f(a)·f(m)<0(此时x0∈(a,m)),则令b=m;
(3)若f(m)·f(b)<0(此时x0∈(m,b)),则令a=m.
第4步,判断是否达到精确度ε:若|b-a|≤ε,则得到零点的近似值a(或b),也可选取区间内任意一个数作为零点的近似值;否则重复步骤2~4.
(1)初始区间的确定要包含函数的变号零点.
(2)二分法就是将所给区间平均分成两部分,通过不断逼近的办法,根据所要求的误差范围,找到零点附近足够小的区间,用此区间的中点值近似地表示真正的零点.
注 意 点
<<<
19
(课本例4)在课本例3中,我们已经说明了f(x)=x3-3x2+1在[0,1]上恰有一个零点.试用二分法来计算这个零点的更精确的近似值(误差不超过0.01).
例 2
20
前面已经知道函数f(x)的零点在[0,1]上,此时包含零点的区间长度为1-0=1,远超0.01,不符合要求.于是我们可以通过二分法来缩小零点所在区间,具体如下:
第1次,取[0,1]的中点=0.5,用计算器或计算机求出f(0.5)≈0.38>0.
由于f(1)=-1<0,可知f(0.5)·f(1)<0,于是零点在[0.5,1]上,此时包含零点的区间长度为1-0.5=0.5,远超0.01,不符合要求.
第2次,取[0.5,1]的中点=0.75,
求出f(0.75)≈-0.27<0,由于f(0.5)·f(0.75)<0,可知零点在[0.5,0.75]上,此时包含零点的区间长度为0.75-0.5=0.25>0.01,不符合要求.
解
21
继续重复上述步骤,可得下表:
解
次数 区间左
端点a 区间右
端点b m= f(m)的
近似值 零点所在
区间长度 是否符
合要求
1 0 1 0.5 0.38 0.5 否
2 0.5 1 0.75 -0.27 0.25 否
3 0.5 0.75 0.625 0.07 0.125 否
4 0.625 0.75 0.687 5 -0.09 0.062 5 否
5 0.625 0.687 5 0.656 25 -0.009 0.031 25 否
6 0.625 0.656 25 0.640 625 0.032 0.015 625 否
7 0.640 625 0.656 25 0.648 437 5 0.011 0.007 812 5 是
22
解
由上表可知,计算到第7次,由于f(0.648 437 5)·f(0.656 25)<0,可知包含零点的区间为[0.648 437 5,0.656 25],零点所在区间长度小于0.01.于是,该区间内任意一点都可作为零点的近似值,例如可取0.65(也可取区间的端点值)作为零点的近似值,也即可取0.65作为方程x3-3x2+1=0的一个近似解.
23
用二分法求函数f(x)=x3-x-1在区间[1,1.5]内的一个零点的近似值.(误差不超过0.01)
例 2
24
解
经计算f(1)<0,f(1.5)>0,所以函数f(x)在[1,1.5]内存在零点x0.
取[1,1.5]的中点x1=1.25,经计算f(1.25)<0,
因为f(1.5)·f(1.25)<0,所以x0∈[1.25,1.5],
如此继续下去,如下表:
区间 中点值 中点函数近似值
[1,1.5] 1.25 -0.30
[1.25,1.5] 1.375 0.22
[1.25,1.375] 1.312 5 -0.05
[1.312 5,1.375] 1.343 75 0.08
[1.312 5,1.343 75] 1.328 125 0.01
[1.312 5,1.328 125] 1.320 312 5 -0.02
25
解
因为|1.328 125-1.320 312 5|=0.007 812 5<0.01,所以函数f(x)=x3-x-1在区间[1,1.5]内误差不超过0.01的一个零点近似值可取为1.320 312 5.
26
(1)二分法求函数零点近似值的关注点
①验证零点所在的区间是否符合误差要求.
②一般取区间中点值作为零点的近似值.
(2)二分法求函数零点近似值步骤的记忆口诀
定区间,找中点,中值计算两边看.
同号丢,异号算,零点落在异号间.
重复做,何时止,误差值来把关口.
反
思
感
悟
27
(1)用二分法求函数f(x)=5x+7x-2的一个零点的近似值,其参考数据如下:
跟踪训练 2
x 0.062 5 0.093 75 0.125 0.156 25 0.187 5
f(x) -0.456 7 -0.180 9 0.097 8 0.379 7 0.664 7
根据上述数据,可得f(x)=5x+7x-2的一个零点近似值(误差不超过0.025)为
A.0.093 75 B.0.109 375
C.0.125 D.0.078 125
√
28
已知f(0.093 75)<0,f(0.125)>0,则函数f(x)的零点的初始区间为[0.093 75,
0.125],所以零点在区间[0.093 75,0.125]上,|0.125-0.093 75|=0.031 25
<0.025×2,所以=0.109 375可以作为f(x)的一个零点近似值.
解析
29
(2)用二分法求方程2x+3x-7=0在区间[1,3]内的近似解,取区间的中点x0=2,那么下一个有根的区间是 .
(1,2)
设f(x)=2x+3x-7,f(1)=-2<0,
f(3)=10>0,f(2)=3>0,
∵f(1)·f(2)<0,
∴f(x)零点所在的区间为(1,2),
∴方程2x+3x-7=0下一个有根的区间是(1,2).
解析
30
二分法的应用
三
求曲线y=lg x和直线y=2-x的交点的横坐标(误差不超过0.05).
例 3
32
在同一平面直角坐标系中,作出y=lg x,y=2-x的图象如图所示,可以发现方程lg x=2-x有唯一解,记为x0,并且解在区间(1,2)内.
设f(x)=lg x+x-2,则f(x)的零点为x0.
用计算器计算得f(1)<0,f(2)>0⇒x0∈(1,2);
f(1.5)<0,f(2)>0⇒x0∈(1.5,2);
f(1.75)<0,f(2)>0⇒x0∈(1.75,2),
f(1.75)<0,f(1.875)>0⇒x0∈(1.75,1.875);
f(1.75)<0,f(1.812 5)>0⇒x0∈(1.75,1.812 5).
∵|1.812 5-1.75|=0.062 5<0.05×2,
∴曲线y=lg x和直线y=2-x的交点的横坐标约为=1.781 25.
解
33
用二分法求方程的近似解的方法
对于求形如f(x)=g(x)的方程的近似解,可以通过移项转化成求函数F(x)=f(x)-g(x)的零点的近似值,然后按照用二分法求函数零点的近似值的步骤求解.
反
思
感
悟
34
用二分法求2x=4-x在区间[1,2]内的近似解(误差不超过0.2).
参考数据:
跟踪训练 3
x 1.125 1.25 1.375 1.5 1.625 1.75 1.875
2x 2.18 2.38 2.59 2.83 3.08 3.36 3.67
35
令f(x)=2x+x-4,则f(1)=2+1-4=-1<0,f(2)=22+2-4=2>0.
解
∵|1.375-1.5|=0.125<0.2,
∴2x=4-x在区间[1,2]内的近似解可取1.375.
区间 区间中点值xn 中点函数近似值
(1,2) x1=1.5 0.33
(1,1.5) x2=1.25 -0.37
(1.25,1.5) x3=1.375 -0.031
(1.375,1.5)
36
1.知识清单:
(1)二分法的理解.
(2)利用二分法求函数的零点、方程的近似解.
2.方法归纳:化归、逼近.
3.常见误区:二分法并不适用于所有零点,只能求函数的变号零点,且函数图象在零点附近是连续的.
课堂小结
课时对点练
四
对一对
答案
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
题号 1 2 3 4 5 6 7 8
答案 B B C B C C (2,3) 3
题号 11 12 13 14 15
答案 C B B a2=4b - C
9.
答案
1
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3
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5
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14
15
f(0)=-1<0,f(1)=1>0,
即f(0)·f(1)<0,f(x)在(0,1)内有零点,
又f(x)在(-∞,+∞)上是增函数,
∴f(x)只有一个零点x0∈(0,1).
取区间(0,1)的中点x1=0.5,f(0.5)=-0.75<0,
∴f(0.5)·f(1)<0,即x0∈(0.5,1).
取区间(0.5,1)的中点x2=0.75,
9.
答案
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3
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15
f(0.75)=-0.156 25<0,∴f(0.75)·f(1)<0,
即x0∈(0.75,1).
取区间(0.75,1)的中点x3=0.875,
f(0.875)≈0.340>0.
∴f(0.75)·f(0.875)<0,即x0∈(0.75,0.875).
又|0.875-0.75|=0.125<0.2=2ε.
∴f(x)的零点的近似值可取为=0.812 5.
10.
答案
1
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15
(1)令x1>x2>0,则f(x1)-f(x2)=ln +2(x1-x2),且>1,x1-x2>0,
即f(x1)-f(x2)>0,∴f(x1)>f(x2),
即f(x)=ln x+2x-6在(0,+∞)上是增函数,
∴f(x)至多有一个零点.又f(2)=ln 2-2<0,f(3)=ln 3>0,
∴f(2)·f(3)<0,即f(x)在(2,3)内有一个零点.
∴f(x)有且只有一个零点.
10.
答案
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15
(2)∵f(2)<0,f(3)>0,取x1=
则f =ln -1<0,∴f(3)f <0,即f(x)的零点x0∈.
取x2=则f =ln >0.
∴f f <0.∴x0∈又≤
∴满足题意的区间为.
基础巩固
答案
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1.函数y=f(x)的图象是一条连续曲线,用二分法求它在区间[2,4]上的唯一零点的近似值时,验证f(2)·f(4)<0,取区间[2,4]的中点x1==3,计算得f(2)·f(x1)<0,则此时零点x0所在的区间是
A.(2,4) B.(2,3)
C.(3,4) D.无法确定
√
答案
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2.用二分法求函数f(x)在[a,b]内的唯一零点时,误差不超过0.001,则结束计算的条件是
A.|a-b|<0.2 B.|a-b|<0.002
C.|a-b|>0.002 D.|a-b|=0.002
√
据二分法的步骤知当|b-a|<2ε时,便可结束计算.
解析
答案
1
2
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3.用二分法求函数f(x)=2x-3的零点时,初始区间可选为
A.[-1,0] B.[0,1] C.[1,2] D.[2,3]
√
f(-1)=-<0,f(0)=-2<0,
f(1)=-1<0,f(2)=1>0,f(3)=5>0,
则f(1)·f(2)<0,即初始区间可选[1,2].
解析
答案
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4.已知函数y=f(x)在[0,1]上的图象是一条连续曲线,且f(0)·f(1)<0,使用二分法求函数零点,要求近似值的误差不超过0.1,则需对区间至少二分的次数为
A.2 B.3 C.4 D.5
√
5.下列函数中,不能用二分法求函数零点的有
A.f(x)=5x+2 B.f(x)=log5x
C.f(x)=x2+2x+1 D.f(x)=3x-2
答案
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15
选项A,由f(-1)f(1)=-3×7<0,可得f(x)=5x+2在(-1,1)上存在变号零点,可用二分法求函数零点;
选项B,由f f(5)=-1×1<0,可得f(x)=log5x在上存在变号零点,可用二分法求函数零点;
选项C,f(x)=x2+2x+1=(x+1)2≥0,则其零点为-1,
但不存在实数a,b满足f(a)f(b)<0,因而不能用二分法求此函数零点;
选项D,由f(0)f(1)=-1×1<0,可得f(x)=3x-2在(0,1)上存在变号零点,可用二分法求函数零点.
解析
6.在用二分法求函数f(x)的一个正实数零点时,经计算,f(0.64)<0,f(0.72)>0,
f(0.68)<0,则函数的一个误差不超过0.025的正实数零点的近似值可以为
A.0.68 B.0.72 C.0.7 D.0.6
√
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15
已知f(0.64)<0,f(0.72)>0,
则函数f(x)的零点的初始区间为(0.64,0.72),
又因为0.68=×(0.64+0.72),且f(0.68)<0,
所以零点在区间(0.68,0.72)上,
又|0.72-0.68|=0.04<0.05=2ε,
所以所求近似值可以为=0.7.
解析
7.用二分法求方程x3-2x-5=0在区间[2,4]上的实数根时,取中点x1=3,则下一个有根区间是 .
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(2,3)
设函数f(x)=x3-2x-5,
∵f(2)=-1<0,f(3)=16>0,f(4)=51>0,
∴下一个有根区间是(2,3).
解析
8.在12枚崭新的硬币中,有一枚外表与真币完全相同的假币(质量小一点),现在只有一台天平,则应用二分法的思想,最多称 次就可以发现假币.
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将12枚硬币平均分成两份,放在天平上,假币在轻的那6枚硬币里面;将这6枚平均分成两份,则假币一定在轻的那3枚硬币里面;将这3枚硬币任拿出2枚放在天平上,若平衡,则剩下的那一枚即是假币;若不平衡,则轻的那一枚即是假币,依据上述分析,最多称3次就可以发现这枚假币.
解析
9.判断函数f(x)=2x3-1的零点个数,并用二分法求零点的近似值.(误差不超过0.1)
答案
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15
f(0)=-1<0,f(1)=1>0,
即f(0)·f(1)<0,f(x)在(0,1)内有零点,
又f(x)在(-∞,+∞)上是增函数,
∴f(x)只有一个零点x0∈(0,1).
取区间(0,1)的中点x1=0.5,f(0.5)=-0.75<0,
∴f(0.5)·f(1)<0,即x0∈(0.5,1).
取区间(0.5,1)的中点x2=0.75,
f(0.75)=-0.156 25<0,∴f(0.75)·f(1)<0,即x0∈(0.75,1).
解
答案
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取区间(0.75,1)的中点x3=0.875,
f(0.875)≈0.340>0.
∴f(0.75)·f(0.875)<0,即x0∈(0.75,0.875).
又|0.875-0.75|=0.125<0.2=2ε.
∴f(x)的零点的近似值可取为=0.812 5.
解
10.已知函数f(x)=ln x+2x-6.
(1)证明:f(x)有且只有一个零点;
答案
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令x1>x2>0,则f(x1)-f(x2)=ln +2(x1-x2),且>1,x1-x2>0,
即f(x1)-f(x2)>0,∴f(x1)>f(x2),
即f(x)=ln x+2x-6在(0,+∞)上是增函数,
∴f(x)至多有一个零点.又f(2)=ln 2-2<0,f(3)=ln 3>0,
∴f(2)·f(3)<0,即f(x)在(2,3)内有一个零点.
∴f(x)有且只有一个零点.
证明
(2)求这个零点所在的一个区间,使这个区间的长度不大于.
答案
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∵f(2)<0,f(3)>0,取x1=
则f =ln -1<0,
∴f(3)f <0,即f(x)的零点x0∈.
取x2=则f =ln >0.∴f f <0.
∴x0∈又≤∴满足题意的区间为.
解
11.用二分法求方程x-2lg =3的近似解,可以取的一个区间是
A.(0,1) B.(1,2)
C.(2,3) D.(3,4)
综合运用
答案
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令f(x)=x-2lg -3,
则f(2)=2-2lg -3=2-2×lg 2-3
=lg 2-1<0,
f(3)=3-3lg -3=lg 3>0,
∴用二分法求方程x-2lg =3的近似解,
可以取的一个区间是(2,3).
解析
12.若函数f(x)在[a,b]上的图象为一条连续不断的曲线,且同时满足f(a)·f(b)<0,f(a)·f >0,则
A.f(x)在上有零点
B.f(x)在上有零点
C.f(x)在上无零点
D.f(x)在上无零点
√
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由f(a)·f(b)<0,f(a)·f >0可知f ·f(b)<0,根据函数零点存在定理可知f(x)在上有零点.
解析
13.用二分法求方程ln(2x+6)+2=3x的根的近似值时,令f(x)=ln(2x+6)+2-3x,并用计算器得到下表:
答案
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x 1.00 1.25 1.375 1.50
f(x) 1.079 4 0.191 8 -0.360 4 -0.998 9
则由表中的数据,可得方程ln(2x+6)+2=3x的一个近似解(误差不超过0.05)为
A.1.125 B.1.312 5
C.1.437 5 D.1.468 75
√
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因为f(1.25)f(1.375)<0,所以函数f(x)的零点在区间(1.25,1.375)内,但区间(1.25,1.375)的长度为0.125>0.1,因此需要取(1.25,1.375)的中点1.312 5,两个区间(1.25,1.312 5)和(1.312 5,1.375)中必有一个满足区间端点的函数值符号相异,又区间的长度为0.062 5<0.1,因此1.312 5是一个近似解.
解析
14.函数f(x)=x2+ax+b有零点,但不能用二分法求出,则a,b的关系是 ,
函数的零点是 (用a表示).
答案
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a2=4b
-
因为函数f(x)=x2+ax+b有零点,但不能用二分法求出,所以函数f(x)=x2+ax+b的图象与x轴相切,所以Δ=a2-4b=0,所以a2=4b,
令f(x)=x2+ax+=0,解得x=-.
解析
15.已知定义在区间[a,b]上的增函数f(x)是连续不断的,在用二分法寻找零点的过程中,依次确定了零点所在区间为[a,b]又f =0,则函数f(x)的零点为
A.- B.-
C.- D.-
拓广探究
答案
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由题意得,f(a)<0,f(b)>0,又a+>a恒成立,则
解得
∵f =0,
∴f(x)的零点为=-.
解析
第4章 §4.4 函数与方程
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