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第15讲 函数与方程-2021届新课改地区高三数学一轮专题复习
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第15讲:函数与方程
一、 课程标准
1. 结合二次函数的图象,判断一元二次方程根的存在性及根的个数,从而了解函数的零点与方程根的联系.
2.根据具体函数的图象,能够借助计算器用二分法求相应方程的近似解,了解这种方法是求方程近似解的常用方法.
二、 基础知识回顾
1、函数的零点
(1)函数零点的定义:对于函数y=f(x),把使方程f(x)=0的实数x称为函数y=f(x)的零点.
(2)方程的根与函数零点的关系:函数y=f(x)的零点就是方程f(x)=0的实数根,也就是函数y=f(x)的图像与x轴交点的横坐标.所以函数y=f(x)有零点等价于函数y=f(x)的图像与x轴有交点,也等价于方程f(x)=0有实根.
(3)零点存在性定理:
如果函数y=f(x)在区间(a,b)上的图像是一条连续的曲线,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,此时c就是方程f(x)=0的根.但反之,不成立.
2、 二分法
对于在区间上连续不断且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.求方程f(x)=0的近似解就是求函数f(x)零点的近似值.
3、 二次函数y=ax2+bx+c(a>0)的图像与零点的关系
Δ>0
Δ=0
Δ<0
二次函数y=ax2+bx+c(a>0)的图像
交点
(x1,0),_(x2,0)
(x1,0)
无交点
零点个数
2
1
0
4、有关函数零点的结论
(1)若连续不断的函数f(x)在定义域上是单调函数,则f(x)至多有一个零点.
(2)连续不断的函数,其相邻两个零点之间的所有函数值保持同号.
(3)连续不断的函数图象通过零点时,函数值可能变号,也可能不变号.
三、 自主热身、归纳总结
1、函数f(x)=-的零点个数为( )
A. 0 B. 1 C. 2 D. 3
【答案】B
【解析】 f(x)是增函数,又f(0)=-1,f(1)=,∴f(0)f(1)<0,∴f(x)有且只有一个零点.故选B.
2、已知函数f(x)的图象是连续不断的,且有如下对应值表:
x
1
2
3
4
5
f(x)
-4
-2
1
4
7
在下列区间中,函数f(x)必有零点的区间为( )
A.(1,2) B.(2,3)
C.(3,4) D.(4,5)
【答案】B
【解析】B 由所给的函数值的表格可以看出,x=2与x=3这两个数字对应的函数值的符号不同,即f(2)·f(3)<0,所以函数在(2,3)内有零点.故选B.
3、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)
【答案】B
【解析】B ∵f(1)=ln 1+1-2=-1<0,f(2)=ln 2>0,
∴f(1)·f(2)<0,
∵函数f(x)=ln x+x-2的图象是连续的,且为增函数,
∴f(x)的零点所在的区间是(1,2).
4、(多选)给出以下四个方程,其中有唯一解的是( )
A.ln x=1-x B.ex=
C.2-x2=lg|x| D.cos x=|x|+1
【答案】ABD
【解析】 对于A,设f(x)=ln x+x-1,易知y=f(x)为增函数,又f(1)=0,故ln x=1-x有唯一解,符合;对于B,设g(x)=ex-,易知y=g(x)为增函数,又g=-2<0,g(1)=e-1>0,由函数零点存在定理可得ex=有唯一解,符合;对于C,设h(x)=x2+lg x-2,易知y=h(x)为增函数,由h(1)=1-2<0,h(2)=2+lg 2>0,由函数零点存在定理可得h(x)=x2+lg x-2有唯一零点,又H(x)=2-x2-lg|x|为偶函数,则2-x2=lg|x|有两个解,不符合;对于D,因为cos x∈[-1,1],|x|+1≥1,当且仅当x=0时cos x=x-1,即cos x=|x|+1有唯一解,符合.
5、若函数f(x)=log2x+x-k(k∈Z)在区间(2,3)内有零点,则k=________.
【答案】4
【解析】因函数f(x)在区间(2,3)内递增,则f(2)f(3)<0,即(log22+2-k)·(log23+3-k)<0,整理得(3-k)·(log23+3-k)<0,解得3
6、 已知函数f(x)=x2-2ax+2在区间[0,4]上至少有一个零点,则实数a的取值范围是______.
【答案】a≥.
【解析】 函数f(x)=x2-2ax+2在区间[0,4]上至少有一个零点,等价于函数f(x)=x2-2ax+2在区间[0,4]上有一个零点,或两个零点(包括两个相等的零点).
①当函数f(x)=x2-2ax+2在区间[0,4]上有一个零点时,由于f(0)=2>0,
∴只需f(4)=16-8a+2≤0,解得a≥.
7、(一题两空)已知函数f(x)=若f(x0)=-1,则x0=________;若关于x的方程f(x)=k有两个不同零点,则实数k的取值范围是________.
【答案】-1 (0,1)
【解析】解方程f(x0)=-1,得或解得x0=-1.关于x的方程f(x)=k有两个不同零点等价于y=f(x)的图象与直线y=k有两个不同交点,观察图象可知:当0<k<1时y=f(x)的图象与直线y=k有两个不同交点.即k∈(0,1).
四、 例题选讲
考点一 判断零点所在的区间
例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,+∞)
(2)已知函数f(x)=lnx-的零点为x0,则x0所在的区间是(C )
A. (0,1) B. (1,2) C. (2,3) D. (3,4)
(3)若x0是方程=x的解,则x0属于区间( )
A. B.
C. D.
【答案】(1) A(2)C. (3) C
【解析】(1) ∵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,故选A.
(2)∵f(x)=lnx-在(0,+∞)为增函数,又f(1)=ln1-=ln1-2<0,
f(2)=ln2-<0,f(3)=ln3->0,
∴x0∈(2,3).
(3)令g(x)=,f(x)=x,
则g(0)=1>f(0)=0,g=<f=,g=>f=,
结合图象可得<x0<.
变式: (1)已知函数f(x)=为奇函数,g(x)=ln x-2f(x),则函数g(x)的零点所在区间为( )
A.(0,1) B.(1,2) C.(2,3) D.(3,4)
(2)已知方程2x+3x=k的解在[1,2)内,则k的取值范围为________.
(3)设函数y=x3与y=的图象的交点为(x0,y0),若x0∈(n,n+1),n∈N,则x0所在的区间是________.
【答案】(1) C. (2)[5,10)(3) (1,2).
【解析】(1)由函数f(x)=为奇函数,可得a=0,
则g(x)=ln x-2f(x)=ln x-.
又g(2)=ln 2-1<0,g(3)=ln 3->0,
所以g(2)·g(3)<0.
故函数g(x)的零点所在区间为(2,3).
(2)令函数f(x)=2x+3x-k,
则f(x)在R上是增函数.
当方程2x+3x=k的解在(1,2)内时,f(1)·f(2)<0,
即(5-k)(10-k)<0,解得5
当f(1)=0时,k=5.
综上,k的取值范围为[5,10).
(3)设f(x)=x3-,则x0是函数f(x)的零点,在同一坐标系下画出函数y=x3与y=的图象如图所示.
因为f(1)=1-=-1<0,
f(2)=8-=7>0,
所以f(1)·f(2)<0,所以x0∈(1,2).
方法总结: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.
2.函数的零点存在性定理只能判断函数在某个区间上的变号零点,不满足条件时,一定要综合函数性质进行分析判断.
考点二 判断零点的个数
1、(2019苏州三市、苏北四市二调)定义在R上的奇函数f(x)满足f(x+4)=f(x),且在区间[2,4)上则函数的零点的个数为
【答案】 5
【解析】:因为f(x+4)=f(x),可得f(x)是周期为4的奇函数,先画出函数f(x)在区间[2,4)上的图像,根据奇函数和周期为4,可以画出f(x)在R上的图像,由y=f(x)-log5| x|=0,得f(x)=log5| x|,分别画出y=f(x)和y=log5|x|的图像,如下图,由f(5)=f(1)=1,而log55=1,f(-3)=f(1)=1,log5|-3|<1,而f(-7)=f(1)=1,而log5|-7|=log57>1,可以得到两个图像有5个交点,所以零点的个数为5.
本题考查了函数的零点问题,以及函数的奇偶性和周期性,考查了转化与化归、数形结合的思想,函数的零数问题,常转化为函数的图像的交点个数来处理,其中能根据函数的性质作出函数的图像并能灵活地运用图像,找到临界点是解题的关键也是难点.
变式1、(1)(2019·十堰调研)已知函数f(x)=则f(x)的零点个数为( )
A.0 B.1
C.2 D.3
(2)(2020·惠州质检)函数f(x)=|x-2|-ln x在定义域内的零点的个数为( )
A.0 B.1 C.2 D.3
【答案】(1)C(2)C
【解析】(1) 当x>1时,令f(x)=ln(x-1)=0,得x=2;当x≤1时,令f(x)=2x-1-1=0,得x=1.故选C.
(2)由题意可知f(x)的定义域为(0,+∞),在同一直角坐标系中画出函数y=|x-2|(x>0),y=ln x(x>0)的图象,如图所示.由图可知函数f(x)在定义域内的零点个数为2.
变式2、(1)(2019·郑州质检)已知函数f(x)=-cos x,则f(x)在[0,2π]上的零点个数为________.
(2)函数f(x)=的零点个数是__2__;
(3)若函数f(x)=,则函数g(x)=f(4x)-x的零点是____.
【答案】(1)3(2)2(3)
【解析】(1)如图,作出g(x)=与h(x)=cos x的图象,可知其在[0,2π]上的交点个数为3,所以函数f(x)在[0,2π]上的零点个数为3.
(2)当x≤0时,令x2-2=0,解得x=-(正根舍去),∴在(-∞,0]上有一个零点;当x>0时,f′(x)=2+>0恒成立,∴f(x)在(0,+∞)上是增函数.
又∵f(2)=-2+ln2<0,f(3)=ln3>0,∴f(x)在(0,+∞)上有一个零点.
综上,函数f(x)的零点个数为2.
(3)∵f(x)=,∴f(4x)-x=-x=-.
令f(4x)-x=0,得4x2-4x+1=0,解得x=,这是方程g(x)=0的根,即是函数g(x)的零点,∴函数g(x)=f(4x)-x的零点是.
方法总结:函数零点个数的判断方法:
(1)直接求零点,令f(x)=0,有几个解就有几个零点;
(2)零点存在性定理,要求函数在区间[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确定函数零点个数;
(3)利用图象交点个数,作出两函数图象,观察其交点个数即得零点个数.
考点三 与零点有关的参数的范围
例3、(2018南通、扬州、淮安、宿迁、泰州、徐州六市二调)设函数f(x)=(其中e为自然对数的底数)有3个不同的零点,则实数m的取值范围是________.
【答案】 (1,+∞)
【解析】解法1(直接法) 当x>0时,令f(x)=e-x-=0,解得x=ln2>0,此时函数f(x)有1个零点,因为要求函数f(x)在R上有3个不同的零点,则当x≤0时,f(x)=x3-3mx-2有2个不同的零点,因为f′(x)=3x2-3m,令f′(x)=0,则x2-m=0,若m≤0,则函数f(x)为增函数,不合题意,故m>0,所以函数f(x)在(-∞,-)上为增函数,在(-,0]上为减函数,即f(x)max=f(-)=-m+3m-2=2m-2,f(0)=-2<0,要使f(x)=x3-3mx-2在(-∞,0]上有2个不同的零点,则f(x)max=2m-2>0,即m>1,故实数m的取值范围是(1,+∞).
解法2(分离参数) 当x>0时,令f(x)=e-x-=0,解得x=ln2>0,此时函数f(x)有1个零点,因为要求函数f(x)在R上有3个不同的零点,则当x≤0时,f(x)=x3-3mx-2有2个不同的零点,即x3-3mx-2=0,显然x=0不是它的根,所以3m=x2-,令y=x2-(x<0),则y′=2x+=,当x∈(-∞,-1)时,y′<0,此时函数单调递减;当x∈(-1,0)时,y′>0,此时函数单调递增,故ymin=3,因此,要使f(x)=x3-3mx-2在(-∞,0)上有两个不同的零点,则需3m>3,即m>1.
变式1、(1)、(2019·安徽合肥二模)设函数f(x)=若函数g(x)=f(x)-b有三个零点,则实数b的取值范围是( )
A.(1,+∞) B.
C.(1,+∞)∪{0} D.(0,1]
(2)、(2019·河北省九校第二次联考)若函数f(x)=kx-|x-e-x|有两个正实数零点,则k的取值范围是( )
A.(0,+∞) B.
C.(0,1) D.(0,e)
【答案】(1)D(2)C
【解析】(1)令g(x)=f(x)-b=0,函数g(x)=f(x)-b有三个零点等价于f(x)=b有三个根,当x≤0时,f(x)=ex(x+1),则f′(x)=ex(x+1)+ex=ex(x+2),由f′(x)<0得ex(x+2)<0,即x<-2,此时f(x)为减函数,
由f′(x)>0得ex(x+2)>0,即-2<x<0,此时f(x)为增函数,
即当x=-2时,f(x)取得极小值f(-2)=-,作出f(x)的图象如图,要使f(x)=b有三个根,则0<b≤1,故选D.
(2)令f(x)=kx-|x-e-x|=0,得kx=|x-e-x|,当x>0时,k==,
令g(x)=1-,x>0,则g′(x)=>0,
所以g(x)在(0,+∞)上单调递增,因为g=1-<0,g(1)=1->0,所以在上存在一个a,使得g(a)=0,所以y=|g(x)|的图象如图所示.由题意知,直线y=k与y=|g(x)|的图象有两个交点,所以0
变式2、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m的取值范围是____________.
【答案】
【解析】依题意,结合函数f(x)的图象分析可知m需满足
即
解得
方法总结:函数零点求参数范围,其思路是把一个函数拆分为两个基本初等函数,将函数的零点问题转化为两函数图象问题,体现转化与化归思想及数形结合思想,从而体现核心素养中的直观想象.
考点四 零点的综合运用
例4、设函数f(x)=-ax2(a∈R).
(1)当a=2时,求函数y=f(x)的零点;
(2)当a>0时,求证:函数y=f(x)在区间(0,+∞)内有且只有一个零点;
(3)若函数y=f(x)有4个不同的零点,求实数a的取值范围.
【解】 (1)当a=2时,f(x)=-2x2,由f(x)=0,得-2x2=0.
当x≥0时,得-2x2=0,即x(2x2+4x-1)=0,解得x=0,或x=(x=<0舍去);
当x<0时,得-2x2=0,即x(2x2+4x+1)=0(x≠-2),解得x=,或x=.
综上所述,函数y=f(x)的零点为0,,,.
(2)证明:当a>0,且x∈(0,+∞)时,由f(x)=0,得-ax2=0,即-ax=0,即ax2+2ax-1=0.记g(x)=ax2+2ax-1,则函数y=g(x)的图像是开口向上的抛物线,对称轴为x=-1,又g(0)=-1<0,∴函数y=g(x)在区间(0,+∞)内有且只有一个零点,即函数y=f(x)在区间(0,+∞)内有且只有一个零点.
(3)易知x=0是函数f(x)的一个零点.
当x>0时,由f(x)=0得,-ax2=0,即-ax=0,即ax2+2ax-1=0,记g(x)=ax2+2ax-1,由a>0知函数g(x)的图像是开口向上的抛物线,又g(0)=-1<0,∴函数f(x)在(0,+∞)内有且只有一个零点.于是,问题等价于f(x)=-ax2(a>0)在(-∞,0)上有且只有两个不同的零点.
当x<0时,由f(x)=0得,-ax2=0,
即-ax=0,即ax2+2ax+1=0(x≠-2),
由a>0,得x2+2x+=0(x≠-2),即x2+2x=-(x≠-2).
作出函数h(x)=x2+2x(x<0)图像,由图像易得:正数a必须满足-1<-<0,从而有a>1.
变式:(2018镇江期末)已知k为常数,函数f(x)=若关于x的方程f(x)=kx+2有且只有四个不同解,则实数k的取值构成的集合为________.
【答案】: ∪(-e,-1)
【解析】作函数y=f(x)和y=kx+2的图像,如图所示,两图像除了(0,2)还应有3个公共点,当k≥0时,直线应与曲线y=f(x)(x>1)相切,设切点(x0,lnx0),则切线斜率为k=,又k=,则=,解得x0=e3,此时k=,当k<0时,当y=kx+2与曲线y=相切于点(0,2)时,函数y=f(x)和y=kx+2的图像只有三个公共点,不符合题意,此时k=-1,当-1
方程解的个数的判断,常转化为函数图像公共点个数的判断,在转化的过程中,一般将它转化为一个确定的函数与一个不确定的函数,这样,只需要研究不确定的函数的图像的变化情况就可以得到问题的解.转化时有时也会做一些“技术”上的处理,比如本题可以知方程f(x)=kx+2一定有一个零解,在x≠0时,可以转化为直线y=k与曲线y=有三个公共点来处理,这样做的好处是在画出两图像后很容易得到k的取值范围,但曲线画起来难度增加了.
方法总结:函数零点与二次函数的综合问题,主要考查函数零点、方程的根以及不等式的解法等基础知识和基本方法,考查推理论证和运算求解的能力.解决这类问题,一是用零点的定义转化为方程问题,二是利用零点存在定理转化为函数问题,三是利用数形结合的思想转化为图形问题.
五、优化提升与真题演练
1、函数f(x)=的零点个数为( )
A.3 B.2
C.7 D.0
【答案】: B
【解析】法一:(直接法)由f(x)=0得
或
解得x=-2或x=e.
因此函数f(x)共有2个零点.
法二:(图象法)函数f(x)的图象如图所示,由图象知函数f(x)共有2个零点.
2、(2017·全国Ⅲ卷)已知函数f(x)=x2-2x+a(ex-1+e-x+1)有唯一零点,则a=( )
A.- B. C. D.1
【答案】:C
【解析】(1)f(x)=(x-1)2-1+a(ex-1+e1-x),则f(2-x)=(2-x-1)2-1+a[e2-x-1+e1-(2-x)]=(1-x)2-1+a(ex-1+e1-x)=f(x),即f(x)的图象关于直线x=1对称.
若f(x)有唯一的零点,则只有f(1)=0,∴a=.
3、【2019年浙江09】设a,b∈R,函数f(x)若函数y=f(x)﹣ax﹣b恰有3个零点,则( )
A.a<﹣1,b<0 B.a<﹣1,b>0 C.a>﹣1,b<0 D.a>﹣1,b>0
【解答】解:当x<0时,y=f(x)﹣ax﹣b=x﹣ax﹣b=(1﹣a)x﹣b=0,得x;y=f(x)﹣ax﹣b最多一个零点;
当x≥0时,y=f(x)﹣ax﹣bx3(a+1)x2+ax﹣ax﹣bx3(a+1)x2﹣b,y′=x2﹣(a+1)x,
当a+1≤0,即a≤﹣1时,y′≥0,y=f(x)﹣ax﹣b在[0,+∞)上递增,y=f(x)﹣ax﹣b最多一个零点.不合题意;
当a+1>0,即a<﹣1时,令y′>0得x∈[a+1,+∞),函数递增,令y′<0得x∈[0,a+1),函数递减;函数最多有2个零点;
根据题意函数y=f(x)﹣ax﹣b恰有3个零点⇔函数y=f(x)﹣ax﹣b在(﹣∞,0)上有一个零点,在[0,+∞)上有2个零点,
如右图:
∴0且,
解得b<0,1﹣a>0,b(a+1)3.
故选:C.
4、【2018年新课标1理科09】已知函数f(x),g(x)=f(x)+x+a.若g(x)存在2个零点,则a的取值范围是( )
A.[﹣1,0) B.[0,+∞) C.[﹣1,+∞) D.[1,+∞)
【解答】解:由g(x)=0得f(x)=﹣x﹣a,
作出函数f(x)和y=﹣x﹣a的图象如图:
当直线y=﹣x﹣a的截距﹣a≤1,即a≥﹣1时,两个函数的图象都有2个交点,
即函数g(x)存在2个零点,
故实数a的取值范围是[﹣1,+∞),
故选:C.
5、若函数y=x+log2(a-2x)+2在R上有零点,则实数a的最小值为________.
【答案】:1
【解析】令x+log2(a-2x)+2=0,则a-2x=2-(x+2).
依题意,关于x的方程a=2x+2-(x+2)有解.
又2x+2-(x+2)≥2=1.
当且仅当x=-1时,等号成立.
∴a≥1,故a的最小值为1.
6、【2018年浙江15】已知λ∈R,函数f(x),当λ=2时,不等式f(x)<0的解集是 .若函数f(x)恰有2个零点,则λ的取值范围是 .
【解答】解:当λ=2时函数f(x),显然x≥2时,不等式x﹣4<0的解集:{x|2≤x<4};x<2时,不等式f(x)<0化为:x2﹣4x+3<0,解得1<x<2,综上,不等式的解集为:{x|1<x<4}.
函数f(x)恰有2个零点,
函数f(x)的草图如图:
函数f(x)恰有2个零点,则1<λ≤3或λ>4.
故答案为:{x|1<x<4};(1,3]∪(4,+∞).
7、(2017南通期末) 已知函数f(x)是定义在[1,+∞)上的函数,且f(x)=则函数y=2xf(x)-3在区间(1,2 015)上的零点个数为________.
【答案】11
【解析】解法1 由题意得当1≤x<2时,f(x)=设x∈[2n-1,2n)(n∈N*),则∈[1,2),又f(x)=f,
①当∈时,则x∈[2n-1,3·2n-2],所以f(x)=f=,所以2xf(x)-3=2x·-3=0,整理得x2-2·2n-2x-3·22n-4=0.解得x=3·2n-2或x=-2n-2.由于x∈[2n-1,3·2n-2],所以x=3·2n-2;
②当∈时,则x∈(3·2n-2,2n),所以f(x)=f=,所以2xf(x)-3=2x·-3=0,整理得x2-4·2n-2x+3·22n-4=0.解得x=3·2n-2或x=2n-2.由于x∈(3·2n-2,2n),所以无解.
综上所述,x=3·2n-2.由x=3·2n-2∈(1,2 015),得n≤11,所以函数y=2xf(x)-3在区间(1,2 015)上零点的个数是11.
解法2 由题意得当x∈[2n-1,2n)时,因为f(x)=·f,所以f(x)max=f=.令g(x)=.当x=·2n-1时,g(x)=g=,所以当x∈[2n-1,2n)时,x=·2n-1为y=2xf(x)-3的一个零点.
下面证明:当x∈[2n-1,2n)时,y=2xf(x)-3只有一个零点.
当x∈[2n-1,3·2n-2]时,y=f(x)单调递增,y=g(x)单调递减,f(3·2n-2)=g(3·2n-2),所以x∈[2n-1,3·2n-2]时,有一零点x=3·2n-2;当x∈(3·2n-2,2n)时,y=f(x)=-,k1=f′(x)=-,g(x)=,k2=g′(x)=-∈,所以k1
解法3 分别作出函数y=f(x)与y=的图像,如图,交点在x1=,x2=3,x3=6,…,xn=3·2n-2处取得.由x=3·2n-2∈(1,2 015),得n≤11,所以函数y=2xf(x)-3在区间(1,2 015)上零点的个数是11.
一、 课程标准
1. 结合二次函数的图象,判断一元二次方程根的存在性及根的个数,从而了解函数的零点与方程根的联系.
2.根据具体函数的图象,能够借助计算器用二分法求相应方程的近似解,了解这种方法是求方程近似解的常用方法.
二、 基础知识回顾
1、函数的零点
(1)函数零点的定义:对于函数y=f(x),把使方程f(x)=0的实数x称为函数y=f(x)的零点.
(2)方程的根与函数零点的关系:函数y=f(x)的零点就是方程f(x)=0的实数根,也就是函数y=f(x)的图像与x轴交点的横坐标.所以函数y=f(x)有零点等价于函数y=f(x)的图像与x轴有交点,也等价于方程f(x)=0有实根.
(3)零点存在性定理:
如果函数y=f(x)在区间(a,b)上的图像是一条连续的曲线,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,此时c就是方程f(x)=0的根.但反之,不成立.
2、 二分法
对于在区间上连续不断且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.求方程f(x)=0的近似解就是求函数f(x)零点的近似值.
3、 二次函数y=ax2+bx+c(a>0)的图像与零点的关系
Δ>0
Δ=0
Δ<0
二次函数y=ax2+bx+c(a>0)的图像
交点
(x1,0),_(x2,0)
(x1,0)
无交点
零点个数
2
1
0
4、有关函数零点的结论
(1)若连续不断的函数f(x)在定义域上是单调函数,则f(x)至多有一个零点.
(2)连续不断的函数,其相邻两个零点之间的所有函数值保持同号.
(3)连续不断的函数图象通过零点时,函数值可能变号,也可能不变号.
三、 自主热身、归纳总结
1、函数f(x)=-的零点个数为( )
A. 0 B. 1 C. 2 D. 3
【答案】B
【解析】 f(x)是增函数,又f(0)=-1,f(1)=,∴f(0)f(1)<0,∴f(x)有且只有一个零点.故选B.
2、已知函数f(x)的图象是连续不断的,且有如下对应值表:
x
1
2
3
4
5
f(x)
-4
-2
1
4
7
在下列区间中,函数f(x)必有零点的区间为( )
A.(1,2) B.(2,3)
C.(3,4) D.(4,5)
【答案】B
【解析】B 由所给的函数值的表格可以看出,x=2与x=3这两个数字对应的函数值的符号不同,即f(2)·f(3)<0,所以函数在(2,3)内有零点.故选B.
3、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)
【答案】B
【解析】B ∵f(1)=ln 1+1-2=-1<0,f(2)=ln 2>0,
∴f(1)·f(2)<0,
∵函数f(x)=ln x+x-2的图象是连续的,且为增函数,
∴f(x)的零点所在的区间是(1,2).
4、(多选)给出以下四个方程,其中有唯一解的是( )
A.ln x=1-x B.ex=
C.2-x2=lg|x| D.cos x=|x|+1
【答案】ABD
【解析】 对于A,设f(x)=ln x+x-1,易知y=f(x)为增函数,又f(1)=0,故ln x=1-x有唯一解,符合;对于B,设g(x)=ex-,易知y=g(x)为增函数,又g=-2<0,g(1)=e-1>0,由函数零点存在定理可得ex=有唯一解,符合;对于C,设h(x)=x2+lg x-2,易知y=h(x)为增函数,由h(1)=1-2<0,h(2)=2+lg 2>0,由函数零点存在定理可得h(x)=x2+lg x-2有唯一零点,又H(x)=2-x2-lg|x|为偶函数,则2-x2=lg|x|有两个解,不符合;对于D,因为cos x∈[-1,1],|x|+1≥1,当且仅当x=0时cos x=x-1,即cos x=|x|+1有唯一解,符合.
5、若函数f(x)=log2x+x-k(k∈Z)在区间(2,3)内有零点,则k=________.
【答案】4
【解析】因函数f(x)在区间(2,3)内递增,则f(2)f(3)<0,即(log22+2-k)·(log23+3-k)<0,整理得(3-k)·(log23+3-k)<0,解得3
【答案】a≥.
【解析】 函数f(x)=x2-2ax+2在区间[0,4]上至少有一个零点,等价于函数f(x)=x2-2ax+2在区间[0,4]上有一个零点,或两个零点(包括两个相等的零点).
①当函数f(x)=x2-2ax+2在区间[0,4]上有一个零点时,由于f(0)=2>0,
∴只需f(4)=16-8a+2≤0,解得a≥.
7、(一题两空)已知函数f(x)=若f(x0)=-1,则x0=________;若关于x的方程f(x)=k有两个不同零点,则实数k的取值范围是________.
【答案】-1 (0,1)
【解析】解方程f(x0)=-1,得或解得x0=-1.关于x的方程f(x)=k有两个不同零点等价于y=f(x)的图象与直线y=k有两个不同交点,观察图象可知:当0<k<1时y=f(x)的图象与直线y=k有两个不同交点.即k∈(0,1).
四、 例题选讲
考点一 判断零点所在的区间
例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,+∞)
(2)已知函数f(x)=lnx-的零点为x0,则x0所在的区间是(C )
A. (0,1) B. (1,2) C. (2,3) D. (3,4)
(3)若x0是方程=x的解,则x0属于区间( )
A. B.
C. D.
【答案】(1) A(2)C. (3) C
【解析】(1) ∵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,故选A.
(2)∵f(x)=lnx-在(0,+∞)为增函数,又f(1)=ln1-=ln1-2<0,
f(2)=ln2-<0,f(3)=ln3->0,
∴x0∈(2,3).
(3)令g(x)=,f(x)=x,
则g(0)=1>f(0)=0,g=<f=,g=>f=,
结合图象可得<x0<.
变式: (1)已知函数f(x)=为奇函数,g(x)=ln x-2f(x),则函数g(x)的零点所在区间为( )
A.(0,1) B.(1,2) C.(2,3) D.(3,4)
(2)已知方程2x+3x=k的解在[1,2)内,则k的取值范围为________.
(3)设函数y=x3与y=的图象的交点为(x0,y0),若x0∈(n,n+1),n∈N,则x0所在的区间是________.
【答案】(1) C. (2)[5,10)(3) (1,2).
【解析】(1)由函数f(x)=为奇函数,可得a=0,
则g(x)=ln x-2f(x)=ln x-.
又g(2)=ln 2-1<0,g(3)=ln 3->0,
所以g(2)·g(3)<0.
故函数g(x)的零点所在区间为(2,3).
(2)令函数f(x)=2x+3x-k,
则f(x)在R上是增函数.
当方程2x+3x=k的解在(1,2)内时,f(1)·f(2)<0,
即(5-k)(10-k)<0,解得5
综上,k的取值范围为[5,10).
(3)设f(x)=x3-,则x0是函数f(x)的零点,在同一坐标系下画出函数y=x3与y=的图象如图所示.
因为f(1)=1-=-1<0,
f(2)=8-=7>0,
所以f(1)·f(2)<0,所以x0∈(1,2).
方法总结: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.
2.函数的零点存在性定理只能判断函数在某个区间上的变号零点,不满足条件时,一定要综合函数性质进行分析判断.
考点二 判断零点的个数
1、(2019苏州三市、苏北四市二调)定义在R上的奇函数f(x)满足f(x+4)=f(x),且在区间[2,4)上则函数的零点的个数为
【答案】 5
【解析】:因为f(x+4)=f(x),可得f(x)是周期为4的奇函数,先画出函数f(x)在区间[2,4)上的图像,根据奇函数和周期为4,可以画出f(x)在R上的图像,由y=f(x)-log5| x|=0,得f(x)=log5| x|,分别画出y=f(x)和y=log5|x|的图像,如下图,由f(5)=f(1)=1,而log55=1,f(-3)=f(1)=1,log5|-3|<1,而f(-7)=f(1)=1,而log5|-7|=log57>1,可以得到两个图像有5个交点,所以零点的个数为5.
本题考查了函数的零点问题,以及函数的奇偶性和周期性,考查了转化与化归、数形结合的思想,函数的零数问题,常转化为函数的图像的交点个数来处理,其中能根据函数的性质作出函数的图像并能灵活地运用图像,找到临界点是解题的关键也是难点.
变式1、(1)(2019·十堰调研)已知函数f(x)=则f(x)的零点个数为( )
A.0 B.1
C.2 D.3
(2)(2020·惠州质检)函数f(x)=|x-2|-ln x在定义域内的零点的个数为( )
A.0 B.1 C.2 D.3
【答案】(1)C(2)C
【解析】(1) 当x>1时,令f(x)=ln(x-1)=0,得x=2;当x≤1时,令f(x)=2x-1-1=0,得x=1.故选C.
(2)由题意可知f(x)的定义域为(0,+∞),在同一直角坐标系中画出函数y=|x-2|(x>0),y=ln x(x>0)的图象,如图所示.由图可知函数f(x)在定义域内的零点个数为2.
变式2、(1)(2019·郑州质检)已知函数f(x)=-cos x,则f(x)在[0,2π]上的零点个数为________.
(2)函数f(x)=的零点个数是__2__;
(3)若函数f(x)=,则函数g(x)=f(4x)-x的零点是____.
【答案】(1)3(2)2(3)
【解析】(1)如图,作出g(x)=与h(x)=cos x的图象,可知其在[0,2π]上的交点个数为3,所以函数f(x)在[0,2π]上的零点个数为3.
(2)当x≤0时,令x2-2=0,解得x=-(正根舍去),∴在(-∞,0]上有一个零点;当x>0时,f′(x)=2+>0恒成立,∴f(x)在(0,+∞)上是增函数.
又∵f(2)=-2+ln2<0,f(3)=ln3>0,∴f(x)在(0,+∞)上有一个零点.
综上,函数f(x)的零点个数为2.
(3)∵f(x)=,∴f(4x)-x=-x=-.
令f(4x)-x=0,得4x2-4x+1=0,解得x=,这是方程g(x)=0的根,即是函数g(x)的零点,∴函数g(x)=f(4x)-x的零点是.
方法总结:函数零点个数的判断方法:
(1)直接求零点,令f(x)=0,有几个解就有几个零点;
(2)零点存在性定理,要求函数在区间[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确定函数零点个数;
(3)利用图象交点个数,作出两函数图象,观察其交点个数即得零点个数.
考点三 与零点有关的参数的范围
例3、(2018南通、扬州、淮安、宿迁、泰州、徐州六市二调)设函数f(x)=(其中e为自然对数的底数)有3个不同的零点,则实数m的取值范围是________.
【答案】 (1,+∞)
【解析】解法1(直接法) 当x>0时,令f(x)=e-x-=0,解得x=ln2>0,此时函数f(x)有1个零点,因为要求函数f(x)在R上有3个不同的零点,则当x≤0时,f(x)=x3-3mx-2有2个不同的零点,因为f′(x)=3x2-3m,令f′(x)=0,则x2-m=0,若m≤0,则函数f(x)为增函数,不合题意,故m>0,所以函数f(x)在(-∞,-)上为增函数,在(-,0]上为减函数,即f(x)max=f(-)=-m+3m-2=2m-2,f(0)=-2<0,要使f(x)=x3-3mx-2在(-∞,0]上有2个不同的零点,则f(x)max=2m-2>0,即m>1,故实数m的取值范围是(1,+∞).
解法2(分离参数) 当x>0时,令f(x)=e-x-=0,解得x=ln2>0,此时函数f(x)有1个零点,因为要求函数f(x)在R上有3个不同的零点,则当x≤0时,f(x)=x3-3mx-2有2个不同的零点,即x3-3mx-2=0,显然x=0不是它的根,所以3m=x2-,令y=x2-(x<0),则y′=2x+=,当x∈(-∞,-1)时,y′<0,此时函数单调递减;当x∈(-1,0)时,y′>0,此时函数单调递增,故ymin=3,因此,要使f(x)=x3-3mx-2在(-∞,0)上有两个不同的零点,则需3m>3,即m>1.
变式1、(1)、(2019·安徽合肥二模)设函数f(x)=若函数g(x)=f(x)-b有三个零点,则实数b的取值范围是( )
A.(1,+∞) B.
C.(1,+∞)∪{0} D.(0,1]
(2)、(2019·河北省九校第二次联考)若函数f(x)=kx-|x-e-x|有两个正实数零点,则k的取值范围是( )
A.(0,+∞) B.
C.(0,1) D.(0,e)
【答案】(1)D(2)C
【解析】(1)令g(x)=f(x)-b=0,函数g(x)=f(x)-b有三个零点等价于f(x)=b有三个根,当x≤0时,f(x)=ex(x+1),则f′(x)=ex(x+1)+ex=ex(x+2),由f′(x)<0得ex(x+2)<0,即x<-2,此时f(x)为减函数,
由f′(x)>0得ex(x+2)>0,即-2<x<0,此时f(x)为增函数,
即当x=-2时,f(x)取得极小值f(-2)=-,作出f(x)的图象如图,要使f(x)=b有三个根,则0<b≤1,故选D.
(2)令f(x)=kx-|x-e-x|=0,得kx=|x-e-x|,当x>0时,k==,
令g(x)=1-,x>0,则g′(x)=>0,
所以g(x)在(0,+∞)上单调递增,因为g=1-<0,g(1)=1->0,所以在上存在一个a,使得g(a)=0,所以y=|g(x)|的图象如图所示.由题意知,直线y=k与y=|g(x)|的图象有两个交点,所以0
变式2、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m的取值范围是____________.
【答案】
【解析】依题意,结合函数f(x)的图象分析可知m需满足
即
解得
考点四 零点的综合运用
例4、设函数f(x)=-ax2(a∈R).
(1)当a=2时,求函数y=f(x)的零点;
(2)当a>0时,求证:函数y=f(x)在区间(0,+∞)内有且只有一个零点;
(3)若函数y=f(x)有4个不同的零点,求实数a的取值范围.
【解】 (1)当a=2时,f(x)=-2x2,由f(x)=0,得-2x2=0.
当x≥0时,得-2x2=0,即x(2x2+4x-1)=0,解得x=0,或x=(x=<0舍去);
当x<0时,得-2x2=0,即x(2x2+4x+1)=0(x≠-2),解得x=,或x=.
综上所述,函数y=f(x)的零点为0,,,.
(2)证明:当a>0,且x∈(0,+∞)时,由f(x)=0,得-ax2=0,即-ax=0,即ax2+2ax-1=0.记g(x)=ax2+2ax-1,则函数y=g(x)的图像是开口向上的抛物线,对称轴为x=-1,又g(0)=-1<0,∴函数y=g(x)在区间(0,+∞)内有且只有一个零点,即函数y=f(x)在区间(0,+∞)内有且只有一个零点.
(3)易知x=0是函数f(x)的一个零点.
当x>0时,由f(x)=0得,-ax2=0,即-ax=0,即ax2+2ax-1=0,记g(x)=ax2+2ax-1,由a>0知函数g(x)的图像是开口向上的抛物线,又g(0)=-1<0,∴函数f(x)在(0,+∞)内有且只有一个零点.于是,问题等价于f(x)=-ax2(a>0)在(-∞,0)上有且只有两个不同的零点.
当x<0时,由f(x)=0得,-ax2=0,
即-ax=0,即ax2+2ax+1=0(x≠-2),
由a>0,得x2+2x+=0(x≠-2),即x2+2x=-(x≠-2).
作出函数h(x)=x2+2x(x<0)图像,由图像易得:正数a必须满足-1<-<0,从而有a>1.
变式:(2018镇江期末)已知k为常数,函数f(x)=若关于x的方程f(x)=kx+2有且只有四个不同解,则实数k的取值构成的集合为________.
【答案】: ∪(-e,-1)
【解析】作函数y=f(x)和y=kx+2的图像,如图所示,两图像除了(0,2)还应有3个公共点,当k≥0时,直线应与曲线y=f(x)(x>1)相切,设切点(x0,lnx0),则切线斜率为k=,又k=,则=,解得x0=e3,此时k=,当k<0时,当y=kx+2与曲线y=相切于点(0,2)时,函数y=f(x)和y=kx+2的图像只有三个公共点,不符合题意,此时k=-1,当-1
方程解的个数的判断,常转化为函数图像公共点个数的判断,在转化的过程中,一般将它转化为一个确定的函数与一个不确定的函数,这样,只需要研究不确定的函数的图像的变化情况就可以得到问题的解.转化时有时也会做一些“技术”上的处理,比如本题可以知方程f(x)=kx+2一定有一个零解,在x≠0时,可以转化为直线y=k与曲线y=有三个公共点来处理,这样做的好处是在画出两图像后很容易得到k的取值范围,但曲线画起来难度增加了.
方法总结:函数零点与二次函数的综合问题,主要考查函数零点、方程的根以及不等式的解法等基础知识和基本方法,考查推理论证和运算求解的能力.解决这类问题,一是用零点的定义转化为方程问题,二是利用零点存在定理转化为函数问题,三是利用数形结合的思想转化为图形问题.
五、优化提升与真题演练
1、函数f(x)=的零点个数为( )
A.3 B.2
C.7 D.0
【答案】: B
【解析】法一:(直接法)由f(x)=0得
或
解得x=-2或x=e.
因此函数f(x)共有2个零点.
法二:(图象法)函数f(x)的图象如图所示,由图象知函数f(x)共有2个零点.
2、(2017·全国Ⅲ卷)已知函数f(x)=x2-2x+a(ex-1+e-x+1)有唯一零点,则a=( )
A.- B. C. D.1
【答案】:C
【解析】(1)f(x)=(x-1)2-1+a(ex-1+e1-x),则f(2-x)=(2-x-1)2-1+a[e2-x-1+e1-(2-x)]=(1-x)2-1+a(ex-1+e1-x)=f(x),即f(x)的图象关于直线x=1对称.
若f(x)有唯一的零点,则只有f(1)=0,∴a=.
3、【2019年浙江09】设a,b∈R,函数f(x)若函数y=f(x)﹣ax﹣b恰有3个零点,则( )
A.a<﹣1,b<0 B.a<﹣1,b>0 C.a>﹣1,b<0 D.a>﹣1,b>0
【解答】解:当x<0时,y=f(x)﹣ax﹣b=x﹣ax﹣b=(1﹣a)x﹣b=0,得x;y=f(x)﹣ax﹣b最多一个零点;
当x≥0时,y=f(x)﹣ax﹣bx3(a+1)x2+ax﹣ax﹣bx3(a+1)x2﹣b,y′=x2﹣(a+1)x,
当a+1≤0,即a≤﹣1时,y′≥0,y=f(x)﹣ax﹣b在[0,+∞)上递增,y=f(x)﹣ax﹣b最多一个零点.不合题意;
当a+1>0,即a<﹣1时,令y′>0得x∈[a+1,+∞),函数递增,令y′<0得x∈[0,a+1),函数递减;函数最多有2个零点;
根据题意函数y=f(x)﹣ax﹣b恰有3个零点⇔函数y=f(x)﹣ax﹣b在(﹣∞,0)上有一个零点,在[0,+∞)上有2个零点,
如右图:
∴0且,
解得b<0,1﹣a>0,b(a+1)3.
故选:C.
4、【2018年新课标1理科09】已知函数f(x),g(x)=f(x)+x+a.若g(x)存在2个零点,则a的取值范围是( )
A.[﹣1,0) B.[0,+∞) C.[﹣1,+∞) D.[1,+∞)
【解答】解:由g(x)=0得f(x)=﹣x﹣a,
作出函数f(x)和y=﹣x﹣a的图象如图:
当直线y=﹣x﹣a的截距﹣a≤1,即a≥﹣1时,两个函数的图象都有2个交点,
即函数g(x)存在2个零点,
故实数a的取值范围是[﹣1,+∞),
故选:C.
5、若函数y=x+log2(a-2x)+2在R上有零点,则实数a的最小值为________.
【答案】:1
【解析】令x+log2(a-2x)+2=0,则a-2x=2-(x+2).
依题意,关于x的方程a=2x+2-(x+2)有解.
又2x+2-(x+2)≥2=1.
当且仅当x=-1时,等号成立.
∴a≥1,故a的最小值为1.
6、【2018年浙江15】已知λ∈R,函数f(x),当λ=2时,不等式f(x)<0的解集是 .若函数f(x)恰有2个零点,则λ的取值范围是 .
【解答】解:当λ=2时函数f(x),显然x≥2时,不等式x﹣4<0的解集:{x|2≤x<4};x<2时,不等式f(x)<0化为:x2﹣4x+3<0,解得1<x<2,综上,不等式的解集为:{x|1<x<4}.
函数f(x)恰有2个零点,
函数f(x)的草图如图:
函数f(x)恰有2个零点,则1<λ≤3或λ>4.
故答案为:{x|1<x<4};(1,3]∪(4,+∞).
7、(2017南通期末) 已知函数f(x)是定义在[1,+∞)上的函数,且f(x)=则函数y=2xf(x)-3在区间(1,2 015)上的零点个数为________.
【答案】11
【解析】解法1 由题意得当1≤x<2时,f(x)=设x∈[2n-1,2n)(n∈N*),则∈[1,2),又f(x)=f,
①当∈时,则x∈[2n-1,3·2n-2],所以f(x)=f=,所以2xf(x)-3=2x·-3=0,整理得x2-2·2n-2x-3·22n-4=0.解得x=3·2n-2或x=-2n-2.由于x∈[2n-1,3·2n-2],所以x=3·2n-2;
②当∈时,则x∈(3·2n-2,2n),所以f(x)=f=,所以2xf(x)-3=2x·-3=0,整理得x2-4·2n-2x+3·22n-4=0.解得x=3·2n-2或x=2n-2.由于x∈(3·2n-2,2n),所以无解.
综上所述,x=3·2n-2.由x=3·2n-2∈(1,2 015),得n≤11,所以函数y=2xf(x)-3在区间(1,2 015)上零点的个数是11.
解法2 由题意得当x∈[2n-1,2n)时,因为f(x)=·f,所以f(x)max=f=.令g(x)=.当x=·2n-1时,g(x)=g=,所以当x∈[2n-1,2n)时,x=·2n-1为y=2xf(x)-3的一个零点.
下面证明:当x∈[2n-1,2n)时,y=2xf(x)-3只有一个零点.
当x∈[2n-1,3·2n-2]时,y=f(x)单调递增,y=g(x)单调递减,f(3·2n-2)=g(3·2n-2),所以x∈[2n-1,3·2n-2]时,有一零点x=3·2n-2;当x∈(3·2n-2,2n)时,y=f(x)=-,k1=f′(x)=-,g(x)=,k2=g′(x)=-∈,所以k1
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