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    (新高考)高考数学一轮复习讲义第2章§2.9函数的零点与方程的解(含详解)

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    §2.9 函数的零点与方程的解考试要求 1.理解函数的零点与方程的解的联系.2.理解函数零点存在定理,并能简单应用.3.了解用二分法求方程的近似解.知识梳理1.函数的零点与方程的解(1)函数零点的概念对于一般函数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)函数零点与方程实数解的关系方程f(x)=0有实数解⇔函数y=f(x)有零点⇔函数y=f(x)的图象与x轴有公共点.(3)函数零点存在定理如果函数y=f(x)在区间[a,b]上的图象是一条连续不断的曲线,且有f(a)f(b)<0,那么,函数y=f(x)在区间(a,b)内至少有一个零点,即存在c∈(a,b),使得f(c)=0,这个c也就是方程f(x)=0的解.2.二分法对于在区间[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做二分法.思考辨析判断下列结论是否正确(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)连续函数y=f(x)在区间(a,b)内有零点,则f(a)·f(b)<0.( × )(3)函数y=f(x)为R上的单调函数,则f(x)有且仅有一个零点.( × )(4)二次函数y=ax2+bx+c(a≠0),若b2-4ac<0,则f(x)无零点.( √ )教材改编题1.(多选)已知函数f(x)的图象是连续不断的,且有如下对应值表: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.(5,6) D.(5,7)答案 BCD解析 由所给的函数值表知,f(1)f(2)>0,f(2)f(3)<0,f(5)f(6)<0,f(5)f(7)<0,∴f(x)在区间(2,3),(5,6),(5,7)内各至少有一个零点.2.已知函数f(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x2+x-2,x≤0,,-1+ln x,x>0,))则f(x)的零点为________.答案 -2,e解析 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x≤0,,x2+x-2=0))或eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x>0,,-1+ln x=0,))解得x=-2或x=e.3.方程2x+x=k在(1,2)内有解,则实数k的取值范围是________.答案 (3,6)解析 设f(x)=2x+x,∴f(x)在(1,2)上单调递增,又f(1)=3,f(2)=6,∴30,f(-1)=eq \f(1,e)-1<0,f(0)=-1<0,f(1)=e-3<0,f(2)=e2-4>0,因为f(-2)·f(-1)<0,f(1)·f(2)<0,所以f(x)在(-2,-1)和(1,2)内存在零点.(2)若a0,f(b)=(b-c)(b-a)<0,f(c)=(c-a)(c-b)>0.所以f(a)f(b)<0,f(b)f(c)<0,即f(x)在区间(a,b)和区间(b,c)内各有一个零点.教师备选(2022·湖南雅礼中学月考)设函数f(x)=eq \f(1,3)x-ln x,则函数y=f(x)(  )A.在区间eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,e),1)),(1,e)内均有零点B.在区间eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,e),1)),(1,e)内均无零点C.在区间eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,e),1))内有零点,在区间(1,e)内无零点D.在区间eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,e),1))内无零点,在区间(1,e)内有零点答案 D解析 f(x)的定义域为{x|x>0},f′(x)=eq \f(1,3)-eq \f(1,x)=eq \f(x-3,3x),令f′(x)>0⇒x>3,f′(x)<0⇒00,f(1)=eq \f(1,3)>0,∴f(x)在eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,e),1))内无零点.又f(e)=eq \f(e,3)-1<0,∴f(x)在(1,e)内有零点.思维升华 确定函数零点所在区间的常用方法(1)利用函数零点存在定理: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.跟踪训练1 (1)(2022·太原模拟)利用二分法求方程log3x=3-x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)答案 C解析 设f(x)=log3x-3+x,当x→0时,f(x)→-∞,f(1)=-2,又∵f(2)=log32-1<0,f(3)=log33-3+3=1>0,故f(2)·f(3)<0,故方程log3x=3-x在区间(2,3)上有解,即利用二分法求方程log3x=3-x的近似解,可以取的一个区间是(2,3).(2)已知20,∴x0∈(2,3),即n=2.题型二 函数零点个数的判定例2 (1)(2022·绍兴模拟)若函数y=f(x)(x∈R)满足f(x+1)=-f(x),且x∈[-1,1]时,f(x)=1-x2,已知函数g(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(|lg x|,x>0,,ex,x<0,))则函数h(x)=f(x)-g(x)在区间[-6,6]内的零点个数为(  )A.14 B.13 C.12 D.11答案 C解析 因为f(x+1)=-f(x),所以函数y=f(x)(x∈R)是周期为2函数,因为x∈[-1,1]时,f(x)=1-x2,所以作出它的图象,则y=f(x)的图象如图所示.(注意拓展它的区间)再作出函数g(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(|lg x|,x>0,,ex,x<0))的图象,容易得出交点为12个.(2)函数f(x)=eq \r(36-x2)·cos x的零点个数为______.答案 6解析 令36-x2≥0,解得-6≤x≤6,∴f(x)的定义域为[-6,6].令f(x)=0得36-x2=0或cos x=0,由36-x2=0得x=±6,由cos x=0得x=eq \f(π,2)+kπ,k∈Z,又x∈[-6,6],∴x为-eq \f(3π,2),-eq \f(π,2),eq \f(π,2),eq \f(3π,2).故f(x)共有6个零点.教师备选函数f(x)=2x|log2x|-1的零点个数为(  )A.0 B.1 C.2 D.4答案 C解析 令f(x)=0,得|log2x|=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))x,分别作出y=|log2x|与y=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))x的图象(图略),由图可知,y=|log2x|与y=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))x的图象有两个交点,即原函数有2个零点.思维升华 求解函数零点个数的基本方法(1)直接法:令f(x)=0,方程有多少个解,则f(x)有多少个零点;(2)定理法:利用定理时往往还要结合函数的单调性、奇偶性等;(3)图象法:一般是把函数拆分为两个简单函数,依据两函数图象的交点个数得出函数的零点个数.跟踪训练2 (1)函数f(x)是R上最小正周期为2的周期函数,当0≤x<2时f(x)=x2-x,则函数y=f(x)的图象在区间[-3,3]上与x轴的交点个数为(  )A.6 B.7 C.8 D.9答案 B解析 令f(x)=x2-x=0,所以x=0或x=1,所以f(0)=0,f(1)=0,因为函数的最小正周期为2,所以f(2)=0,f(3)=0,f(-2)=0,f(-1)=0,f(-3)=0.所以函数y=f(x)的图象在区间[-3,3]上与x轴的交点个数为7.(2)(2022·泉州模拟)设定义域为R的函数f(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(|lg x|,x>0,,-x2-2x,x≤0,))则关于x的函数y=2f2(x)-3f(x)+1的零点的个数为(  )A.3 B.7 C.5 D.6答案 B解析 根据题意,令2f2(x)-3f(x)+1=0,得f(x)=1或f(x)=eq \f(1,2).作出f(x)的简图:由图象可得当f(x)=1和f(x)=eq \f(1,2)时,分别有3个和4个交点,故关于x的函数y=2f2(x)-3f(x)+1的零点的个数为 7.题型三 函数零点的应用命题点1 根据函数零点个数求参数例3 (2022·武汉模拟)已知函数f(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(|x2+2x|,x≤0,,\f(1,x),x>0,))若关于x的方程f(x)-a(x+3)=0有四个不同的实根,则实数a的取值范围是(  )A.(-∞,4-2eq \r(3)) B.(4+2eq \r(3),+∞)C.[0,4-2eq \r(3)] D.(0,4-2eq \r(3))答案 D解析 画出f(x)的函数图象,设y=a(x+3),该直线恒过点(-3,0),结合函数图象,若y=a(x+3)与y=-x2-2x相切,联立得x2+(a+2)x+3a=0,Δ=(a+2)2-12a=0,得a=4-2eq \r(3)(a=4+2eq \r(3)舍),若f(x)=a(x+3)有四个不同的实数根,则00,所以函数g(x)在(-∞,-1)上的值域为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0,\f(4,3))).因此实数a的取值范围是eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0,\f(4,3))).教师备选1.函数f(x)=eq \f(x,x+2)-kx2有两个零点,则实数k的值为________.答案 -1解析 由f(x)=eq \f(x,x+2)-kx2=xeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,x+2)-kx)),函数f(x)=eq \f(x,x+2)-kx2有两个零点,即函数y=eq \f(1,x+2)-kx只有一个零点x0,且x0≠0.即方程eq \f(1,x+2)-kx=0有且只有一个非零实根.显然k≠0,即eq \f(1,k)=x2+2x有且只有一个非零实根.即二次函数y=x2+2x的图象与直线y=eq \f(1,k)有且只有一个交点(横坐标不为零).作出二次函数y=x2+2x的图象,如图.因为eq \f(1,k)≠0,由图可知,当eq \f(1,k)>-1时,函数y=x2+2x的图象与直线y=eq \f(1,k)有两个交点,不满足条件.当eq \f(1,k)=-1,即k=-1时满足条件.当eq \f(1,k)<-1时,函数y=x2+2x的图象与直线y=eq \f(1,k)无交点,不满足条件.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 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,4),\f(1,2)))解析 依题意,结合函数f(x)的图象分析可知,m需满足eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(m≠2,,f-1·f0<0,,f1·f2<0,))即eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(m≠2,,m-2-m+2m+12m+1<0,,m-2+m+2m+1·[4m-2+2m+2m+1]<0,))解得eq \f(1,4)0,,exx+1,x≤0.))若函数g(x)=f(x)-b有三个零点,则实数b可取的值可能是(  )A.0 B.eq \f(1,3) C.eq \f(1,2) D.1答案 BCD解析 函数g(x)=f(x)-b有三个零点等价于函数y=f(x)的图象与直线y=b有三个不同的交点,当x≤0时,f(x)=(x+1)ex,则f′(x)=ex+(x+1)ex=(x+2)ex,所以f(x)在(-∞,-2)上单调递减,在(-2,0]上单调递增,且f(-2)=-eq \f(1,e2),f(0)=1,x→-∞时,f(x)→0,从而可得f(x)的图象如图所示,通过图象可知,若函数y=f(x)的图象与直线y=b有三个不同的交点,则b∈(0,1].(2)已知函数f(x)=log2(x+1)-eq \f(1,x)+m在区间(1,3]上有零点,则m的取值范围为(  )A.eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(5,3),0))B.eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-∞,-\f(5,3)))∪(0,+∞)C.eq \b\lc\(\rc\](\a\vs4\al\co1(-∞,-\f(5,3)))∪(0,+∞)D.eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(5,3),0))答案 D解析 由于函数y=log2(x+1),y=m-eq \f(1,x)在区间(1,3]上单调递增,所以函数f(x)在(1,3]上单调递增,由于函数f(x)=log2(x+1)-eq \f(1,x)+m在区间(1,3]上有零点,则eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(f1<0,,f3≥0,))即eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(m<0,,m+\f(5,3)≥0,))解得-eq \f(5,3)≤m<0.因此,实数m的取值范围是eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(5,3),0)). 课时精练1.函数f(x)=x3-eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))x-2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 由题意知,f(x)=x3-eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))x-2,f(0)=-4,f(1)=-1,f(2)=7,因为f(x)在R上连续且在R上单调递增,所以f(1)·f(2)<0,f(x)在(1,2)内有唯一零点.2.设函数f(x)=4x3+x-8,用二分法求方程4x3+x-8=0近似解的过程中,计算得到f(1)<0,f(3)>0,则方程的近似解落在区间(  )A.eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1,\f(3,2))) B.eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,2),2))C.eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2,\f(5,2))) D.eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(5,2),3))答案 A解析 取x1=2,因为f(2)=4×8+2-8=26>0,所以方程近似解x0∈(1,2),取x2=eq \f(3,2),因为f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,2)))=4×eq \f(27,8)+eq \f(3,2)-8=7>0,所以方程近似解x0∈eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1,\f(3,2))).3.(2022·武汉质检)若函数f(x)=x2-ax+1在区间eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2),3))上有零点,则实数a的取值范围是(  )A.(2,+∞) B.[2,+∞)C.eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\co1(2,\f(5,2))) D.eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\co1(2,\f(10,3)))答案 D解析 由题意知方程ax=x2+1在eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2),3))上有实数解,即a=x+eq \f(1,x)在eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2),3))上有解,设t=x+eq \f(1,x),x∈eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2),3)),则t的取值范围是eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\co1(2,\f(10,3))).所以实数a的取值范围是eq \b\lc\[\rc\)(\a\vs4\al\co1(2,\f(10,3))).4.若函数f(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(log4x-1,x>1,,-3x-m,x≤1))存在2个零点,则实数m的取值范围为(  )A.[-3,0) B.[-1,0)C.[0,1) D.[-3,+∞)答案 A解析 因为函数f(x)在(1,+∞)上单调递增,且f(2)=0,即f(x)在(1,+∞)上有一个零点,函数f(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(log4x-1,x>1,,-3x-m,x≤1))存在2个零点,当且仅当f(x)在(-∞,1]上有一个零点,x≤1时,f(x)=0⇔m=-3x,即函数y=-3x在(-∞,1]上的图象与直线y=m有一个公共点,而y=-3x在(-∞,1]上单调递减,且有-3≤-3x<0,则当-3≤m<0时,直线y=m和函数y=-3x(x≤1)的图象有一个公共点.5.(2022·重庆质检)已知函数f(x)=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,3)))x-log2x,设0cC.x0b答案 B解析 f(x)=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,3)))x-log2x在(0,+∞)上单调递减,由f(a)·f(b)·f(c)<0,得f(a)<0,f(b)<0,f(c)<0或f(a)>0,f(b)>0,f(c)<0.∴x0c不成立.6.(2022·北京西城区模拟)若偶函数f(x)(x∈R)满足f(x+2)=f(x)且x∈[0,1]时,f(x)=x,则方程f(x)=log3|x|的根的个数是(  )A.2 B.3 C.4 D.多于4答案 C解析 f(x)=log3|x|的解的个数,等价于y=f(x)的图象与函数y=log3|x|的图象的交点个数,因为函数f(x)满足f(x+2)=f(x),所以周期T=2,当x∈[0,1]时,f(x)=x,且f(x)为偶函数,在同一平面直角坐标系中画出函数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.7.(多选)函数f(x)=sin x+2|sin x|,x∈[0,2π]的图象与直线y=k的交点个数可能是(  )A.1 B.2 C.4 D.6答案 ABC解析 由题意知,f(x)=sin x+2|sin x|,x∈[0,2π],f(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(3sin x,x∈[0,π],,-sin x,x∈π,2π],))在坐标系中画出函数f(x)的图象如图所示.由其图象知,直线y=k与y=f(x)的图象交点个数可能为0,1,2,3,4.8.(多选)(2022·南京模拟)在数学中,布劳威尔不动点定理可应用到有限维空间,并是构成一般不动点定理的基石,它得名于荷兰数学家鲁伊兹·布劳威尔(L.E.J.Brouwer),简单的讲就是对于满足一定条件的连续函数f(x),存在一个点x0,使得f(x0)=x0,那么我们称该函数为“不动点”函数,下列为“不动点”函数的是(  )A.f(x)=2x+x B.g(x)=x2-x-3C.f(x)= SKIPIF 1 < 0 +1 D.f(x)=|log2x|-1答案 BCD解析 选项A,若f(x0)=x0,则 SKIPIF 1 < 0 =0,该方程无解,故A中函数不是“不动点”函数;选项B,若g(x0)=x0,则xeq \o\al(2,0)-2x0-3=0,解得x0=3或x0=-1,故B中函数是“不动点”函数;选项C,若f(x0)=x0,则 SKIPIF 1 < 0 +1=x0,可得xeq \o\al(2,0)-3x0+1=0,且x0≥1,解得x0=eq \f(3+\r(5),2),故C中函数是“不动点”函数;选项D,若f(x0)=x0,则|log2x0|-1=x0,即|log2x0|=x0+1,作出y=|log2x|与y=x+1的函数图象,如图,由图可知,方程|log2x|=x+1有实数根x0,即|log2x0|=x0+1,故D中函数是“不动点”函数.9.若函数f(x)=x3+ax2+bx+c是奇函数,且有三个不同的零点,写出一个符合条件的函数:f(x)=________.答案 x3-x(答案不唯一)解析 f(x)=x3+ax2+bx+c为奇函数,故a=c=0,f(x)=x3+bx=x(x2+b)有三个不同零点,∴b<0,∴f(x)=x3-x满足题意.10.函数f(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(2x,x≥0,,-x2-2x+1,x<0,))若函数y=f(x)-m有三个不同的零点,则实数m的取值范围是________.答案 (1,2)解析 画出函数y=f(x)与y=m的图象,如图所示,注意当x=-1时,f(-1)=-1+2+1=2,f(0)=1,∵函数y=f(x)-m有三个不同的零点,∴函数y=f(x)与y=m的图象有3个交点,由图象可得m的取值范围为1b>a B.b>c>aC.c>a>b D.a>c>b答案 B解析 令f(x)=0,则2x+x-1=0,得x=0,即a=0,令g(x)=0,则log2x+x-1=0,得x=1,即b=1,因为函数h(x)=x3+x-1在R上为增函数,且h(0)=-1<0,h(1)=1>0,所以h(x)在区间(0,1)上存在唯一零点c,且c∈(0,1),综上,b>c>a.14.(2022·厦门模拟)已知函数f(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x+1,x≤0,,log2x,x>0,))则函数y=f(f(x))的所有零点之和为________.答案 eq \f(1,2)解析 当x≤0时,x+1=0,x=-1,由f(x)=-1,可得x+1=-1或log2x=-1,∴x=-2或x=eq \f(1,2);当x>0时,log2x=0,x=1,由f(x)=1,可得x+1=1或log2x=1,∴x=0或x=2;∴函数y=f(f(x))的所有零点为-2,eq \f(1,2),0,2,∴所有零点的和为-2+eq \f(1,2)+0+2=eq \f(1,2).15.若关于x的方程eq \f(|x|,x+4)=kx2有四个不同的实数解,则k的取值范围为(  )A.(0,1) B.eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,4),1))C.eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,4),+∞)) D.(1,+∞)答案 C解析 因为eq \f(|x|,x+4)=kx2有四个实数解,显然,x=0是方程的一个解,下面只考虑x≠0时有三个实数解即可.若x>0,原方程等价于1=kx(x+4),显然k≠0,则eq \f(1,k)=x(x+4).要使该方程有解,必须k>0,则eq \f(1,k)+4=(x+2)2,此时x>0,方程有且必有一解;所以当x<0时必须有两解,当x<0时,原方程等价于-1=kx(x+4),即-eq \f(1,k)=x(x+4)(x<0且x≠-4),要使该方程有两解,必须-4<-eq \f(1,k)<0,所以k>eq \f(1,4).所以实数k的取值范围为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,4),+∞)).16.已知M={α|f(α)=0},N={β|g(β)=0},若存在α∈M,β∈N,使得|α-β|eq \f(1,e),要使函数g(x)在区间(1,3)上存在零点,只需a∈eq \b\lc\(\rc\](\a\vs4\al\co1(\f(1,e),\f(4,e2))). x1234567f(x)-4-2142-1-3
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