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步步高理科数学28

§2.8 函数与方程

1.函数的零点

(1)函数零点的定义

对于函数y=f(x)(x∈D),把使f(x)=0的实数x叫做函数y=f(x)(x∈D)的零点.

(2)几个等价关系

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)函数零点的判定(零点存在性定理)

如果函数y=f(x)在区间[a,b]上的图象是连续不断的一条曲线,并且有f(a)·f(b)<0,那么,函数y=f(x)在区间(a,b)内有零点,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

3.二分法

(1)定义:

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.

(2)给定精确度ε,用二分法求函数f(x)零点近似值的步骤如下:

①确定区间[a,b],验证f(a)·f(b)<0,给定精确度ε;

②求区间(a,b)的中点c;

③计算f(c);

(ⅰ)若f(c)=0,则c就是函数的零点;

(ⅱ)若f(a)·f(c)<0,则令b=c(此时零点x0∈(a,c));

(ⅲ)若f(c)·f(b)<0,则令a=c(此时零点x0∈(c,b)).

④判断是否达到精确度ε:

即若|a-b|<ε,则得到零点近似值a(或b);否则重复②③④.

1.判断下面结论是否正确(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)函数y=f(x)在区间(a,b)内有零点(函数图象连续不断),则f(a)·f(b)<0.( × )

(3)二次函数y=ax2+bx+c(a≠0)在b2-4ac<0时没有零点.( √ )

(4)只要函数有零点,我们就可以用二分法求出零点的近似值.( × )

(5)函数y=2sinx-1的零点有无数多个.( √ )

(6)函数f(x)=kx+1在[1,2]上有零点,则-1

2.(2013·天津)函数f(x)=2x|log0.5x|-1的零点个数为(  )

A.1B.2C.3D.4

答案 B

解析 当0

由y=log0.5x,y=x的图象知,在(0,1)内有一个交点,即f(x)在(0,1)上有一个零点.

当x>1时,f(x)=-2xlog0.5x-1=2xlog2x-1,

令f(x)=0得log2x=x,

由y=log2x,y=x的图象知在(1,+∞)上有一个交点,即f(x)在(1,+∞)上有一个零点,故选B.

3.(2013·重庆)若a

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 由于a0,f(b)=(b-c)(b-a)<0,f(c)=(c-a)(c-b)>0.因此有f(a)·f(b)<0,f(b)·f(c)<0,又因f(x)是关于x的二次函数,函数的图象是连续不断的曲线,因此函数f(x)的两零点分别位于区间(a,b)和(b,c)内,故选A.

4.在下列区间中,函数f(x)=ex+4x-3的零点所在的区间为(  )

A.(-,0)B.(0,)

C.(,)D.(,)

答案 C

解析 ∵f(x)=ex+4x-3,∴f′(x)=ex+4>0.

∴f(x)在其定义域上是严格单调递增函数.

∵f(-)=e-4<0,f(0)=e0+4×0-3=-2<0,

f()=e-2<0,f()=e-1>0,

∴f()·f()<0.

5.已知函数f(x)=lnx-x+2有一个零点所在的区间为(k,k+1)(k∈N*),则k的值为________.

答案 3

解析 由题意知,当x>1时,f(x)单调递减,因为f(3)=ln3-1>0,f(4)=ln4-2<0,所以该函数的零点在区间(3,4)内,所以k=3.

题型一 函数零点的判断和求解

例1 

(1)(2012·湖北)函数f(x)=xcosx2在区间[0,4]上的零点个数为(  )

A.4    B.5    C.6    D.7

(2)设函数f(x)=x2+(x≠0).当a>1时,方程f(x)=f(a)的实根个数为________.

思维启迪 

(1)函数零点的确定问题;

(2)f(x)=f(a)的实根个数转化为函数g(x)=f(x)-f(a)的零点个数.

答案 

(1)C 

(2)3

解析 

(1)当x=0时,f(x)=0.又因为x∈[0,4],

所以0≤x2≤16.因为5π<16<,

所以函数y=cosx2在x2取,,,,时为0,

此时f(x)=0,所以f(x)=xcosx2在区间[0,4]上的零点个数为6.

(2)令g(x)=f(x)-f(a),

即g(x)=x2+-a2-,

整理得:

g(x)=(x-a)(ax2+a2x-2).

显然g(a)=0,令h(x)=ax2+a2x-2.

∵h(0)=-2<0,h(a)=2(a3-1)>0,

∴h(x)在区间(-∞,0)和(0,a)各有一个零点.

因此,g(x)有三个零点,即方程f(x)=f(a)有三个实数解.

思维升华 函数零点的确定问题,常见的有①函数零点值大致存在区间的确定,②零点个数的确定,③两函数图象交点的横坐标或有几个交点的确定.解决这类问题的常用方法有解方程法、利用零点存在的判断或数形结合法.

 

(1)函数f(x)=2x+3x的零点所在的一个区间是(  )

A.(-2,-1)B.(-1,0)

C.(0,1)D.(1,2)

(2)若定义在R上的偶函数f(x)满足f(x+2)=f(x),且当x∈[0,1]时,f(x)=x,则函数y=f(x)-log3|x|的零点个数是(  )

A.多于4个B.4个

C.3个D.2个

答案 

(1)B 

(2)B

解析 

(1)∵f′(x)=2xln2+3>0,

∴f(x)=2x+3x在R上是增函数.

而f(-2)=2-2-6<0,f(-1)=2-1-3<0,

f(0)=20=1>0,f

(1)=2+3=5>0,f

(2)=22+6=10>0,

∴f(-1)·f(0)<0.故函数f(x)在区间(-1,0)上有零点.

(2)由题意知,f(x)是周期为2的偶函数.

在同一坐标系内作出函数y=f(x)及y=log3|x|的图象,如下:

观察图象可以发现它们有4个交点,

即函数y=f(x)-log3|x|有4个零点.

题型二 二次函数的零点问题

例2 是否存在这样的实数a,使函数f(x)=x2+(3a-2)x+a-1在区间[-1,3]上恒有一个零点,且只有一个零点?

若存在,求出a的取值范围;若不存在,说明理由.

思维启迪 可将问题转化为f(x)=0在[-1,3]上有且只有一个实数根,结合二次函数的图象特征转化题中条件.

解 令f(x)=0,则Δ=(3a-2)2-4(a-1)=9a2-16a+8

=9(a-)2+>0,

即f(x)=0有两个不相等的实数根,

∴若实数a满足条件,则只需f(-1)·f(3)≤0即可.

f(-1)·f(3)=(1-3a+2+a-1)·(9+9a-6+a-1)=4(1-a)(5a+1)≤0,

∴a≤-或a≥1.

检验:

(1)当f(-1)=0时,a=1,所以f(x)=x2+x.

令f(x)=0,即x2+x=0,得x=0或x=-1.

方程在[-1,3]上有两个实数根,不合题意,故a≠1.

(2)当f(3)=0时,a=-,此时f(x)=x2-x-.

令f(x)=0,即x2-x-=0,解得x=-或x=3.

方程在[-1,3]上有两个实数根,不合题意,故a≠-.

综上所述,a<-或a>1.

思维升华 解决二次函数的零点问题:

(1)可利用一元二次方程的求根公式;

(2)可用一元二次方程的判别式及根与系数之间的关系;

(3)利用二次函数的图象列不等式组.

 已知f(x)=x2+(a2-1)x+(a-2)的一个零点比1大,一个零点比1小,求实数a的取值范围.

解 方法一 设方程x2+(a2-1)x+(a-2)=0的两根分别为x1,x2(x1

∴x1x2-(x1+x2)+1<0,

由根与系数的关系,

得(a-2)+(a2-1)+1<0,

即a2+a-2<0,∴-2

方法二 函数图象大致如图,则有f

(1)<0,

即1+(a2-1)+a-2<0,∴-2

题型三 函数零点的应用

例3 若关于x的方程22x+2xa+a+1=0有实根,求实数a的取值范围.

思维启迪 方程的根也就是与方程对应的函数零点,判断方程的根是否存在,可以通过构造相应的函数,将其转化为函数零点的存在性问题求解,也可直接通过分离参数,转化为函数的值域问题求解.

解 方法一 (换元法)

设t=2x(t>0),则原方程可变为t2+at+a+1=0,(*)

原方程有实根,即方程(*)有正根.

令f(t)=t2+at+a+1.

①若方程(*)有两个正实根t1,t2,

则解得-1

②若方程(*)有一个正实根和一个负实根(负实根,不合题意,舍去),则f(0)=a+1<0,解得a<-1;

③当a=-1时,t=1,x=0符合题意.

综上,a的取值范围是(-∞,2-2].

方法二 (分离变量法)

由方程,解得a=-,设t=2x(t>0),

则a=-=-

=2-,其中t+1>1,

由基本不等式,得(t+1)+≥2,当且仅当t=-1时取等号,故a≤2-2.

思维升华 对于“a=f(x)有解”型问题,可以通过求函数y=f(x)的值域来解决.

 已知定义在R上的函数y=f(x)满足f(x+2)=f(x),当-1

A.(1,5)B.(0,)∪[5,+∞)

C.(0,]∪[5,+∞)D.[,1]∪(1,5]

答案 B

解析 依题意知函数f(x)的周期为2,在坐标平面内画出函数y=f(x)与函数y=loga|x|的图象,如图所示,结合图象,可知要使函数g(x)=f(x)-loga|x|至少有5个零点,则有0

函数与方程思想的应用

典例:

(12分)已知函数f(x)=-x2+2ex+m-1,g(x)=x+(x>0).

(1)若y=g(x)-m有零点,求m的取值范围;

(2)确定m的取值范围,使得g(x)-f(x)=0有两个相异实根.

思维启迪 

(1)y=g(x)-m有零点即y=g(x)与y=m的图象有交点,所以可以结合图象求解;

(2)g(x)-f(x)=0有两个相异实根⇔y=f(x)与y=g(x)的图象有两个不同交点,所以可利用它们的图象求解.

规范解答

解 

(1)方法一 ∵g(x)=x+≥2=2e,

等号成立的条件是x=e,

故g(x)的值域是[2e,+∞),[3分]

因而只需m≥2

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