高中数学函数零点问题的求解
函数的零点教材中给出了具体的定义:“对于函数)(x f y =,我们把使0)(=x f 的实数x 叫做函数0)(=x f 的零点,这样函数)(x f y =的零点就是方程0)(=x f 的实数根,也就是函数)(x f y =的图象与X 轴交点的横坐标,所以方程0)(=x f 有实根⇔函数)(x f y =的图象与X 轴有交点⇔函数)(x f y =有零点” 对于函数零点问题,我们除了可应用根的存在性定理直接求解外,还可利用“方程0)(=x f 有实根⇔函数)(x f y =的图象与X 轴有交点⇔函数)(x f y =有零点” 题目进行适当转换,得到各种不同的求解策略。
总结如下:
一 、函数零点的存在性定理指出:“如果函数)(x f y =在区间[a,b]上的图象是连续不断的一条曲线,并且0)()(<b f a f ,那么,函数)(x f y =在区间(a,b )内有零点,即存在),(b a c ∈,使得0)(=c f ,这个c 也是方程0)(=x f 的根”。
根据函数零点的存在性定理判断函数在某个区间上是否有零点(或方程在某个区间上是否有根)时,一定要注意该定理是函数存在零点的充分不必要条件:如
例1、函数x
x x f 2)1ln()(-+=的零点所在的大致区间是( ) (A )(0,1); (B )(1,2); (C ) (2,e ); (D )(3,4)。
分析:显然函数x
x x f 2)1ln()(-
+=在区间[1,2]上是连续函数,且0)1(<f ,0)2(>f ,所以由根的存在性定理可知,函数x x x f 2)1ln()(-+=的零点所在的大致区间是(1,2),选B
例2.函数2)(x x f =在下列区间是否存在零点?( )
(A )(-3,-1); (B )(-1,2); (C ) (2,3); (D )(3,4)。
分析:利用函数零点的存在性定理分析,函数2)(x x f =在所给出的四个区间中都不满足条件0)()(<b f a f ,但由函数2)(x x f =的图象可知它一定有零点0=x 。
仅当函数)(x f y =在区间[a,b]上是单调函数时,函数零点的存在性定理才是函数存在零点的充要条件。
二 、求解有关函数零点的个数(或方程根的个数)问题。
函数零点的存在性定理,它仅能判断零点的存在性,不能求出零点的个数。
对函数零点的个数问题,我们可以通过适当构造函数,利用函数的图象和性质进行求解。
如:
1.对于求一个陌生函数的零点个数,若能把已知函数分解成两个熟悉的函数,那么可利用构造函数法化归为求两个熟悉函数图象的交点个数求解,如:
例3.求x x x f 2)(2-=零点的个数。
分析:本题直接求解,无法下手,由函数x x x f 2)(2-=
02)(2=-=x x x f 的根,即方程x x 2
2=的解,但这个方程不是 熟悉的常规方程,由方程的解与两函数图象交点的关系,可构 造函数21x y =、x y 22=,在同一坐标系中作出它们的图象,可得
出它们有三个交点,所以x x x f 2)(2-=零点的个数有三个。
2对于一元高次函数,可利用导数法研究函数图象的特征,作出函数的图象,确定图象与X 轴交点的情况求解。
如:
例4.函数1096)(23-+-=x x x x f 零点的个数为
分析:Θ1096)(23-+-=x x x x f ,∴)3)(1(39123)(2/--=+-=x x x x x f 令0)(=x f ,得3,121==x x 列出x,y /,y 的对应值表如下:
作出函数1096)(23-+-=x x x x f 的草图可知,函数)(x f 的图
象与X 轴仅有一个交点,则)(x f 仅有一个零点。
注意:本类型题的特点是找出函数)(x f 的图象与X 轴交点,y x
实质上仍是求函数)(x f y =与函数0=y 交点的情况。
若把0=y
换成a y =,相当在原题中引入参数a ,得出一般情况下的解法,如:
例5、(例4变式题)试讨论函数a x x x x f --+-=1096)(23(R a ∈)零点的个数。
分析:方法1:直接模仿例4的解法,可得如下表格:
然后再结合函数)(x f 的图象与X 轴的关系,确定分类讨论的标准,由极大值、极小值与零的关系,讨论图象与X 轴交点情况,得出如下结论:
当010>--=a y 极小值即10-<a 时有一个交点;当010=--=a y 极小值即10-=a 时有两个交点;当010<--=a y 极小值且06>--=a y 极大值即610-<<-a 时有三个交点;当06=--=a y 极大值即6-=a 时有两个交点;当06<--=a y 极大值即6->a 时有一个交点.
方法2:通过构造函数1096)(23-+-=x x x x f 与a x g =)(转化求解,利用例4的方法可得到函数)(x f y =
可得出结论:当)10,(--∞∈a 仅有一个零点;
当10-=a 有二个零点;当)6,10(--∈a 有三个零点;
当6-=a 时有二个零点;当),6(+∞-∈a 仅有一个零点。
例6、已知5>a ,函数1)(23+-=ax x x f 在区间(0,3)内零点的个数为 。
分析:本题利用导数法可得出)(x f y =在区间(0,3)上是单调递减函数,且01)0(>=f ,)5(0928)3(><-=a a f ,由函数的图象可知仅有一个零点。
三.求函数的具体零点或求方程的根。
对于某些特殊类型的函数,可通过研究式子的特征,构造新函数,转化求解。
如:
例7、求函数36)35()(55++++=x x x x f 的零点。
分析:考察036)35()(55=++++=x x x x f 的特点,直接求解难以入手,可转化为求)()35()35(55x x x x +-=+++的解,根据式子特点构造函数x x x g +=5)(,显然)(x g 为奇函数,且在R 上单调递增,由)()35()35(55x x x x +-=+++可化为)()()35(x g x g x g -=-=+,故利用函数)(x g 的性质可得x x -=+35,则21-=x ,所以函数)(x f 的零点为2
1-=x 综上所述,对于函数的零点问题,我们除了要掌握利用函数的零点存在性定理判断外,还要更好地懂得利用函数与方程思想,构造函数,数形结合,优化解题的策略,提高学生分析问题、解决问题的能力。