(新高考)高考数学一轮考点复习2.7《函数与方程》学案 (含详解)
展开第七节 函数与方程
核心素养立意下的命题导向
1.通过判断具体函数零点的个数或零点所在区间,凸显数学运算、直观想象的核心素养.
2.通过函数零点或方程根的存在情况求参数的取值范围,凸显直观想象、逻辑推理和数学运算的核心素养.
[理清主干知识]
1.函数的零点
(1)函数零点的定义
对于函数y=f(x),我们把使f(x)=0的实数x叫做函数y=f(x)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.
2.二次函数图象与零点的关系
Δ=b2-4ac
Δ>0
Δ=0
Δ<0
二次函数y=ax2+bx+c(a>0)的图象
与x轴的交点
(x1,0),(x2,0)
(x1,0)
无
零点个数
_2_
_1_
_0_
[澄清盲点误点]
一、关键点练明
1.(判断零点所在区间)函数f(x)=ln x-的零点所在的大致范围是( )
A.(1,2) B.(2,3)
C.和(3,4) D.(4,+∞)
答案:B
2.(求函数零点个数)函数f(x)=ex+3x的零点个数是( )
A.0 B.1
C.2 D.3
答案:B
3.(求函数零点)函数f(x)=(x2-2)(x2-3x+2)的零点为________.
答案:-,,1,2
二、易错点练清
1.(忽视零点的概念与性质)给出下列命题:
①函数f(x)=x2-1的零点是(-1,0)和(1,0);
②函数y=f(x)在区间(a,b)内有零点(函数图象连续不断),则一定有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若函数f(x)在(a,b)上单调且f(a)·f(b)<0,则函数f(x)在[a,b]上有且只有一个零点.
其中正确的是________(填序号).
答案:③④
2.(忽视区间端点值)函数f(x)=kx+1在[1,2]上有零点,则k的取值范围是________.
答案:
考点一 函数零点所在区间的判断
[典例] 函数f(x)=x+ln x-3的零点所在的区间为( )
A.(0,1) B.(1,2)
C.(2,3) D.(3,4)
[解析] 法一:利用零点存在性定理
因为函数f(x)是增函数,且f(2)=ln 2-1<0,f(3)=ln 3>0,所以由零点存在性定理得函数f(x)的零点位于区间(2,3)内,故选C.
法二:数形结合
函数f(x)=x+ln x-3的零点所在区间转化为g(x)=ln x,h(x)=-x+3的图象的交点横坐标所在范围.如图所示,可知f(x)的零点在(2,3)内.
[答案] C
[方法技巧]
判断函数零点(方程的根)所在区间的方法
解方程法
当对应方程易解时,可通过解方程确定方程是否有根落在给定区间上
定理法
利用零点存在性定理进行判断
数形结合法
画出相应的函数图象,通过观察图象与x轴在给定区间上是否有交点来判断,或者转化为两个函数图象在给定区间上是否有交点来判断
[针对训练]
1.方程x=x的解所在的区间是( )
A. B.
C. D.
解析:选B 令函数f(x)=x-x,
易知函数f(x)为[0,+∞)上的减函数.
又f(0)=1>0,f=->0,f=-<0,
由函数零点的存在性定理可知函数f(x)=x-x的零点所在的区间是.
即方程x=x的解所在的区间是.故选B.
2.已知函数f(x)=ln x+2x-6的零点在(k∈Z)内,那么k=________.
解析:∵f′(x)=+2>0,x∈(0,+∞),∴f(x)在(0,+∞)上单调递增,且f=ln -1<0,f(3)=ln 3>0,∴f(x)的零点在内,则整数k=5.
答案:5
考点二 函数零点个数的判断
[典题例析]
(1)(2019·全国卷Ⅲ)函数f(x)=2sin x-sin 2x在[0,2π]的零点个数为( )
A.2 B.3
C.4 D.5
(2)函数f(x)=的零点个数为( )
A.0 B.1
C.2 D.3
(3)设函数f(x)是定义在R上的奇函数,当x>0时,f(x)=ex+x-3,则f(x)的零点个数为( )
A.1 B.2
C.3 D.4
[解析] (1)令f(x)=0,得2sin x-sin 2x=0,
即2sin x-2sin xcos x=0,
∴2sin x(1-cos x)=0,∴sin x=0或cos x=1.
又x∈[0,2π],
∴由sin x=0,得x=0,π或2π,
由cos x=1,得x=0或2π.
故函数f(x)的零点为0,π,2π,共3个.
(2)依题意,当x>0时,作出函数y=ln x与y=x2-2x的图象(如图),可知两个函数的图象有两个交点;当x≤0时,函数f(x)=2x+1与x轴只有一个交点,综上,函数f(x)有3个零点.故选D.
(3)因为函数f(x)是定义域为R的奇函数,所以f(0)=0,即x=0是函数f(x)的1个零点.
当x>0时,令f(x)=ex+x-3=0,则ex=-x+3,分别画出函数y=ex和y=-x+3的图象,如图所示,两函数图象有1个交点,所以函数f(x)有1个零点.
根据对称性知,当x<0时,函数f(x)也有1个零点.
综上所述,f(x)的零点个数为3.
[答案] (1)B (2)D (3)C
[方法技巧] 判断函数零点个数的方法
直接法
直接求零点,令f(x)=0,如果能求出解,则有几个不同的解就有几个零点
定理法
利用零点存在性定理,不仅要求函数的图象在区间[a,b]上是连续不断的曲线,且f(a)·f(b)<0,还必须结合函数的图象与性质(如单调性、奇偶性)才能确定函数有多少个零点
图象法
利用图象交点的个数,画出函数f(x)的图象,函数f(x)的图象与x轴交点的个数就是函数f(x)的零点个数;或将函数f(x)拆成两个函数h(x)和g(x)的差,根据f(x)=0⇔h(x)=g(x),则函数f(x)的零点个数就是函数y=h(x)和y=g(x)的图象的交点个数
性质法
利用函数性质,若能确定函数的单调性,则其零点个数不难得到;若所考查的函数是周期函数,则只需解决在一个周期内的零点的个数
[针对训练]
1.函数f(x)=2x|log0.5x|-1的零点个数为( )
A.1 B.2
C.3 D.4
解析:选B 令f(x)=2x|log0.5x|-1=0,
可得|log0.5x|=x.
设g(x)=|log0.5x|,h(x)=x.
在同一坐标系下分别画出函数g(x),h(x)的图象,可以发现两个函数图象一定有2个交点.因此函数f(x)有2个零点.故选B.
2.已知定义在R上的奇函数f(x)满足:当x>0时,f(x)=2x+2x-4,则f(x)的零点个数是( )
A.2 B.3
C.4 D.5
解析: 选B 因为函数f(x)是定义在R上的奇函数,所以f(0)=0.因为f(x)在(0,+∞)上单调递增,f·f(2)<0,所以当x>0时函数f(x)有1个零点.根据奇函数的对称性可知,当x<0时,函数f(x)也有1个零点.因此函数f(x)一共有3个零点.故选B.
考点三 函数零点的应用问题
考法(一) 根据函数零点个数求参数
[例1] (2020·天津高考)已知函数f(x)=若函数g(x)=f(x)-|kx2-2x|(k∈R)恰有4个零点,则k的取值范围是( )
A.∪(2,+∞)
B. ∪(0,2)
C.(-∞,0)∪(0,2)
D.(-∞,0)∪(2,+∞)
[解析] 令h(x)=|kx2-2x|,函数g(x)=f(x)-|kx2-2x|(k∈R)恰有4个零点,即y=f(x)与y=h(x)的图象恰有4个不同交点.
当k=-时,h(x)==,在同一直角坐标系中作出y=f(x),y=h(x)的图象如图1.
由图可知y=f(x)与y=h(x)的图象恰有4个不同交点,即函数g(x)=f(x)-|kx2-2x|恰有4个零点,排除A、B;
当k=1时,h(x)=|x2-2x|,作出y=h(x)与y=f(x)的图象如图2.
此时,函数y=f(x)与y=h(x)的图象仅有2个交点,不合题意,排除C,故选D.
[答案] D
考法(二) 根据函数零点存在情况求参数
[例2] 已知函数f(x)=则使函数g(x)=f(x)+x-m有零点的实数m的取值范围是______________.
[解析] 函数g(x)=f(x)+x-m的零点就是方程f(x)+x=m的根,画出h(x)=f(x)+x=的大致图象(图略).
观察它与直线y=m的交点,得知当m≤0或m>1时,有交点,即函数g(x)=f(x)+x-m有零点.
[答案] (-∞,0]∪(1,+∞)
考法(三) 根据零点的范围求参数
[例3] 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________.
[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
[方法技巧] 由函数零点求参数范围的方法
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
分离参数法
先将参数分离,转化成求函数值域的问题再求解即可
数形结合法
先对解析式变形,在同一平面直角坐标系中作出函数的图象,然后数形结合求解
[针对训练]
1.函数f(x)=2x--a的一个零点在区间(1,2)内,则实数a的取值范围是( )
A.(1,3) B.(1,2)
C.(0,3) D.(0,2)
解析:选C 因为f(x)在(0,+∞)上是增函数,则由题意得f(1)·f(2)=(0-a)(3-a)<0,解得0 2.(多选)已知函数f(x)=若函数g(x)=f(x)-m恰有2个零点,则实数m可以是( )
A.-1 B.0
C.1 D.2
解析:选ABC 令g(x)=f(x)-m=0,则f(x)=m,在同一直角坐标系中作出y=f(x)与y=m的图象如图所示,只需两函数图象有两个交点即可.由图可知当m=-1,0,1时,两函数图象均有两个交点,故选A、B、C.
3.方程log (a-2x)=2+x有解,则a的最小值为________.
解析:若方程log (a-2x)=2+x有解,
则2+x=a-2x有解,即x+2x=a有解,
又x+2x≥1,
当且仅当x=-1时取等号,故a的最小值为1.
答案:1
创新思维角度——融会贯通学妙法
应用“三招五法”,轻松破解含参零点问题
根据函数的零点情况,讨论参数的范围是高考的重点和难点.对于此类题目,我们常利用零点定理、数形结合、函数单调性与分离参数等思想方法来求解.
[典例] 已知函数f(x)=ax3-3x2+1,若f(x)存在唯一的零点x0,且x0>0,则a的取值范围为( )
A.(2,+∞) B.(-∞,-2)
C.(1,+∞) D.(-∞,-1)
[方法演示]
本题的实质是函数f(x)存在唯一的零点x0∈(0,+∞),因此可利用其代数特征转化为方程有唯一的正根来构思解析,也可以从零点本身的几何特征入手,将其转化为曲线的交点问题来突破,还可以利用选项的唯一性选取特例求解.
法一 单调性法:利用函数的单调性求解
由已知得,a≠0,f′(x)=3ax2-6x,
令f′(x)=0,得x=0或x=.
当a>0时,x∈(-∞,0),f′(x)>0;x∈,f′(x)<0;x∈(,+∞),f′(x)>0.所以函数f(x)在(-∞,0)和(,+∞)上单调递增,在(0,)上单调递减,且f(0)=1>0,故f(x)有小于零的零点,不符合题意.
当a<0时,x∈(-∞,),f′(x)<0;x∈(,0),f′(x)>0;x∈(0,+∞),f′(x)<0.所以函数f(x)在(-∞,)和(0,+∞)上单调递减,在(,0)上单调递增,所以要使f(x)有唯一的零点x0且x0>0,只需f()>0,即a2>4,解得a<-2.
法二 数形结合法:转化为直线与曲线的位置关系求解
由ax3-3x2+1=0可知x≠0,可得ax=3-,作出y=3-的图象如图所示,转动直线y=ax,显然a>0时不成立;当a<0,直线y=ax与左边的曲线相切时,设切点为(t,3-),其中t<0,则切线方程为y- (3-)=(x-t).又切线过原点,则有0-(3-)=(0-t),解得t=-1(t=1舍去),此时切线的斜率为-2,由图象可知a<-2符合题意.
法三 数形结合法:转化为两曲线的交点问题求解
令f(x)=0,得ax3=3x2-1.问题转化为g(x)=ax3的图象与h(x)=3x2-1的图象存在唯一的交点,且交点横坐标大于零.
当a=0时,函数g(x)的图象与h(x)的图象存在两个交点;
当a>0时,如图(1)所示,不合题意;
当a<0时,由图(2)知,可先求出函数g(x)=ax3与h(x)=3x2-1的图象有公切线时a的值.由g′(x)=h′(x),g(x)=h(x),得a=-2.由图形可知当a<-2时,满足题意.
法四 分离参数法:参变分离,演绎高效
易知x≠0,令f(x)=0,则a=-,记g(x)=-,g′(x)=-+=,可知g(x)在(-∞,-1)和(1,+∞)上单调递减,在(-1,0)和(0,1)上单调递增,且g(-1)=-2,画出函数大致图象如图所示,平移直线y=a,结合图象,可知a<-2.
法五 特例法:巧取特例求解
取a=3,则f(x)=3x3-3x2+1.由于f(0)=1,f(-1)<0,从而f(x)在(-∞,0)上存在零点,排除A、C.
取a=-,则f(x)=-x3-3x2+1.由于f(0)=1,f<0,从而f(x)在(-∞,0)上存在零点,排除D,故选B.
[答案] B
[名师微点]
函数的含参零点问题是高考热门题型,既能很好地考查函数、导数、方程与不等式等基础知识,又能考查分类讨论、数形结合、转化与化归等思维能力,所以此类题往往能较好地体现试卷的区分度.
由本题的五种方法,可知破解含参零点问题常有“三招”.
第一招 带参讨论
当我们无法通过等价转化的思想将原问题转化为相对容易的问题时,我们要根据题设要求直接研究函数的性质.由于函数含有参数,通常需要合理地对参数的取值进行分类,并逐一求解.(如本例法一)
第二招 数形结合
由两个基本初等函数组合而得的超越函数f(x)=g(x)-h(x)的零点个数,等价于方程g(x)-h(x)=0的解的个数,亦即g(x)=h(x)的解的个数,进而转化为基本初等函数y=g(x)与y=h(x)的图象的交点个数.(如本例法二和法三)
第三招 分离参数
通过将原函数中的参数进行分离后变形成g(x)=l(a),则原函数的零点问题化归为与x轴平行的直线y=l(a)和函数g(x)的图象的交点问题.(如本例法四)
一、综合练——练思维敏锐度
1.求下列函数的零点,可以用二分法的是( )
A.f(x)=x4
B.f(x)=tan x+2
C.f(x)=cos x-1
D.f(x)=|2x-3|
解析:选B ∵二分法只适用于求“变号零点”,∴选B.
2.函数f(x)=x-x的零点个数为( )
A.0 B.1
C.2 D.3
解析:选B 法一:定理法
∵f(0)=-1,f(1)=,
∴f(0)f(1)<0,故函数f(x)在(0,1)上至少存在一个零点,又∵f(x)为增函数,∴f(x)的零点个数为1.
法二:图象法
令f(x)=0,得x=x,在平面直角坐标系中分别画出函数y=x与y=x的图象(图略),可得交点只有一个,∴函数f(x)的零点只有1个,故选B.
3.设函数y=log2x-1与y=22-x的图象的交点为(x0,y0),则x0所在的区间是( )
A.(0,1) B.(1,2)
C.(2,3) D.(3,4)
解析:选C 令函数f(x)=log2x-1-22-x,则f(2)=-1,f(3)=log23-=log23-log2()>0,因为f(2)f(3)<0,所以函数f(x)在(2,3)上必有零点.又易知函数f(x)为增函数,所以f(x)在(2,3)上有且只有一个零点,所以x0∈(2,3),故选C.
4.已知函数f(x)=x-(x>0),g(x)=x+ex,h(x)=x+ln x的零点分别为x1,x2,x3,则( )
A.x1
5.(多选)已知f(x)是定义域为R的偶函数,在(-∞,0)上单调递减,且f(-3)·f(6)<0,那么下列结论中正确的是( )
A.f(x)可能有三个零点 B.f(3)·f(-4)≥0
C.f(-4)
6.(多选)定义域和值域均为[-a,a](常数a>0)的函数y=f(x)和y=g(x)的图象如图所示,则下列说法正确的有( )
A.方程f(g(x))=0有两正数解和一负数解
B.方程g(f(x))=0最多只有三个解
C.方程f(f(x))=0可能存在五个解
D.方程g(g(x))=0有且仅有一个解
解析:选ABCD 设f(x)的零点分别为x1,x2,x3,则x1<x2<0<x3,设g(x)的零点为x4,x4>0.f(g(x))=0,即g(x)=x1,有一个解为正数,g(x)=x2,有一个解为正数,g(x)=x3,有一个解为负数,故A正确;g(f(x))=0,则f(x)=x4,根据图象知:函数最多有三个交点,故B正确;f(f(x))=0,即f(x)=x1,可能为一个解,f(x)=x2,可能为三个解,f(x)=x3,可能为一个解,故C正确;g(g(x))=0,故g(x)=x4,方程有且仅有一个解,故D正确.
7.对于实数a,b定义运算“D○×”:aD○×b=设f(x)=(2x-3)D○×(x-3),且关于x的方程f(x)=k(k∈R)恰有三个互不相同的实根x1,x2,x3,则x1x2x3的取值范围为( )
A.(0,3) B.(-1,0)
C.(-∞,0) D.(-3,0)
解析:选D ∵aD○×b=
∴f(x)=(2x-3)D○×(x-3)=
其图象如图所示.
不妨设x1
∴x1x2x3∈(-3,0).故选D.
8.若函数f(x)=ax+1-2a在区间(-1,1)上存在一个零点,则实数a的取值范围是________.
解析:∵函数f(x)的图象为直线,
由题意可得f(-1)f(1)<0,
∴(-3a+1)·(1-a)<0,解得 ∴实数a的取值范围是.
答案:
9.若函数f(x)=x2+ax+b的两个零点是-2和3,则不等式af(-2x)>0的解集是____________________.
解析:∵f(x)=x2+ax+b的两个零点是-2,3,
∴-2,3是方程x2+ax+b=0的两根.
由根与系数的关系知∴
∴f(x)=x2-x-6.∵不等式af(-2x)>0,
即-(4x2+2x-6)>0⇔2x2+x-3<0,
解集为.
答案:
10.函数f(x)=|x-1|+2cos πx(-4≤x≤6)的零点个数为________;所有零点之和为________.
解析:可转化为两个函数y=|x-1|与y=-2cos πx在[-4,6]上的交点的个数,因为两个函数均关于x=1对称,所以两个函数在x=1两侧的交点对称,则每对对称点的横坐标的和为2,分别画出两个函数的图象(如图),易知两个函数在x=1两侧分别有5个交点,共10个交点,所有零点之和为5×2=10.
答案:10 10
11.已知函数f(x)=-x2-2x,g(x)=
(1)求g(f(1))的值;
(2)若方程g(f(x))-a=0有4个不同的实数根,求实数a的取值范围.
解:(1)g(f(1))=g(-3)=-3+1=-2.
(2)令f(x)=t(t<1),则原方程化为g(t)=a有4个不同的实数根,易知方程f(x)=t在(-∞,1)内有2个不同的实数根,则原方程有4个不同的实数根等价于函数y=g(t)(t<1)与y=a的图象有2个不同的交点,如图,画出函数g(t)的图象,结合图象可知,1≤a<,即a的取值范围是.
12.已知当x∈[0,1]时,函数y=(mx-1)2的图象与y=+m 的图象有且只有一个交点,求正实数m的取值范围.
解:在同一直角坐标系中,分别作出函数f(x)=(mx-1)2=m22与g(x)=+m的大致图象.分两种情形:
(1)当0
(2)当m>1时,0<<1,如图②,要使f(x)与g(x)的图象在[0,1]上只有一个交点,只需g(1)≤f(1),即1+m≤(m-1)2,解得m≥3或m≤0(舍去).
综上所述,m的取值范围为(0,1]∪[3,+∞).
二、自选练——练高考区分度
1.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|的零点有( )
A.多于4个 B.4个
C.3个 D.2个
解析:选B 因为偶函数f(x)满足f(x+2)=f(x),故函数的周期为2.当x∈[0,1]时,f(x)=x,故当x∈[-1,0]时,f(x)=-x.函数y=f(x)-log3|x|的零点的个数等于函数y=f(x)的图象与函数y=log3|x|的图象的交点个数.在同一个坐标系中画出函数y=f(x)的图象与函数y=log3|x|的图象,如图所示.
显然函数y=f(x)的图象与函数y=log3|x|的图象有4个交点,故选B.
2.对于函数f(x)和g(x),设α∈{x|f(x)=0},β∈{x|g(x)=0},若存在α,β,使得|α-β|≤1,则称f(x)与g(x)互为“零点相邻函数”.若函数f(x)=ex-1+x-2与g(x)=x2-ax-a+3互为“零点相邻函数”,则实数a的取值范围是( )
A.[2,4] B.
C. D.[2,3]
解析:选D 易知函数f(x)=ex-1+x-2的零点为x=1,则α=1,
设函数g(x)=x2-ax-a+3的一个零点为β,若函数f(x)和g(x)互为“零点相邻函数”,
根据定义,得|1-β|≤1,解得0≤β≤2,作出函数g(x)=x2-ax-a+3的图象(图略),
因为g(-1)=4,要使函数g(x)的零点在区间[0,2]内,则即解得2≤a≤3.
3.已知f(x)=有且只有1个零点,则实数a的取值范围是________.
解析:当a>0时,函数f(x)=ax-3(x>0)必有一个零点,又因为-<0,故a2+2+a>0,解得a>1;当a=0时,f(x)=恰有一个零点;当a<0时,若x>0,则f(x)=ax-3<0,若x≤0,则f(x)=ax2+2x+a,此时,f(x)恒小于0,所以当a<0时,f(x)无零点.
答案:{0}∪(1,+∞)
4.已知函数f(x)=(2-a)·(x-1)-2ln x.若函数f(x)在上无零点,求a的最小值.
解:法一:∵f(x)<0在上不可能恒成立,要使函数f(x)在上无零点,只要对任意的x∈,f(x)>0恒成立,即对任意的x∈,a>2-恒成立.
令l(x)=2-,x∈,则l′(x)=,
令m(x)=2ln x+-2,x∈,则m′(x)=-+=<0,故m(x)在上为减函数,于是m(x)>m=2-2ln 2>0,从而l′(x)>0,于是l(x)在上为增函数,∴l(x)
则a的最小值为2-4ln 2.
法二:令g(x)=(2-a)(x-1),h(x)=2ln x,
∵f(x)=g(x)-h(x)在上无零点,
∴g(x)与h(x)的图象在上无交点.
显然,g(x),h(x)的图象都过A(1,0),
如图,直线AB的斜率k==4ln 2.
∴当g(x)的斜率2-a≤4ln 2时无交点,
∴a≥2-4ln 2.
∴a的最小值为2-4ln 2.
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