2020版高考数学复习第二章函数概念与基本初等函数Ⅰ2.8函数与方程教案理(含解析)新人教A版
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§2.8函数与方程
1.函数的零点
一般地,如果函数y=f(x)在实数α处的值等于零,即f(α)=0,则α叫做这个函数的零点.
2.零点存在性定理
如果函数y=f(x)在区间[a,b]上的图象不间断,并且在它的两个端点处的函数值异号,即f(a)f(b)<0,则这个函数在这个区间上,至少有一个零点,即存在一点x0∈(a,b),使f(x0)=0.如果函数图象通过零点时穿过x轴,则称这样的零点为变号零点.
3.二次函数y=ax2+bx+c (a>0)的图象与零点的关系
概念方法微思考
函数f(x)的图象连续不断,是否可得到函数f(x)只有一个零点?
提示不能.
题组一 思考辨析
1.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)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 =ax 2
+bx +c (a ≠0)在b 2
-4ac <0时没有零点.( √ )
(4)f (x )=x 2
,g (x )=2x
,h (x )=log 2x ,当x ∈(4,+∞)时,恒有h (x )<f (x )<g (x ).( √ ) 题组二 教材改编
2.函数f (x )=ln x -2
x
的零点所在的大致区间是( )
A .(1,2)
B .(2,3) C.⎝ ⎛⎭
⎪⎫1e ,1和(3,4) D .(4,+∞)
答案 B
解析 ∵f (2)=ln2-1<0,f (3)=ln3-2
3
>0
且函数f (x )的图象在(0,+∞)上连续不断,f (x )为增函数, ∴f (x )的零点在区间(2,3)内.
3.函数f (x )=e x
+3x 的零点个数是( ) A .0B .1C .2D .3 答案 B
解析 由f ′(x )=e x
+3>0,得f (x )在R 上单调递增,又f (-1)=1e -3<0,f (0)=1>0,因
此函数f (x )有且只有一个零点. 题组三 易错自纠
4.函数f (x )=ln 2
x -3ln x +2的零点是( ) A .(e,0)或(e 2
,0) B .(1,0)或(e 2
,0) C .(e 2
,0) D .e 或e 2
答案 D
解析 f (x )=ln 2
x -3ln x +2=(ln x -1)(ln x -2), 由f (x )=0得x =e 或x =e 2
.
5.已知函数f (x )=x -x (x >0),g (x )=x +e x
,h (x )=x +ln x (x >0)的零点分别为x 1,x 2,
x 3,则( )
A .x 1<x 2<x 3
B .x 2<x 1<x 3
C .x 2<x 3<x 1
D .x 3<x 1<x 2
答案 C
解析 作出y =x 与y =x (x >0),y =-e x
,y =-ln x (x >0)的图象,如图所示,可知选C.
6.若二次函数f (x )=x 2
-2x +m 在区间(0,4)上存在零点,则实数m 的取值范围是________. 答案 (-8,1]
解析 m =-x 2
+2x 在(0,4)上有解,又-x 2
+2x =-(x -1)2
+1,∴y =-x 2
+2x 在(0,4)上的值域为(-8,1],∴-8<m ≤1.
题型一 函数零点所在区间的判定
1.函数f (x )=ln x -
2
x -1
的零点所在的区间是( ) A .(1,2) B .(2,3) C .(3,4) D .(4,5) 答案 B
解析 函数f (x )=ln x -
2
x -1
在(1,+∞)上是增函数,且在(1,+∞)上连续.因为f (2)=ln2-2<0,f (3)=ln3-1>0,所以f (2)f (3)<0,所以函数的零点所在的区间是(2,3). 2.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 ,+∞)内
答案 A
解析 ∵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. 3.已知函数f (x )=log a x +x -b (a >0且a ≠1).当2<a <3<b <4时,函数f (x )的零点x 0∈(n ,
n +1),n ∈N +,则n =________.
解析 对于函数y =log a x ,当x =2时,可得y <1,当x =3时,可得y >1,在同一坐标系中画出函数y =log a x ,y =-x +b 的图象,判断两个函数图象的交点的横坐标在(2,3)内,∴函数f (x )的零点x 0∈(n ,n +1)时,n =2.
思维升华判断函数零点所在区间的基本依据是零点存在性定理.对于含有参数的函数的零点区间问题,往往要结合图象进行分析,一般是转化为两函数图象的交点,分析其横坐标的情况进行求解.
题型二 函数零点个数的判断
例1(1)函数f (x )=⎩
⎪⎨
⎪⎧
x 2
-2,x ≤0,
2x -6+ln x ,x >0的零点个数是________.
答案 2
解析 当x ≤0时,令x 2
-2=0,解得x =-2(正根舍去),所以在(-∞,0]上,f (x )有一个零点;当x >0时,f ′(x )=2+1
x
>0恒成立,所以f (x )在(0,+∞)上是增函数.
又因为f (2)=-2+ln2<0,f (3)=ln3>0,所以f (x )在(0,+∞)上有一个零点,综上,函数
f (x )的零点个数为2.
(2)(2018·呼伦贝尔模拟)函数f (x )=|x -2|-ln x 在定义域内的零点的个数为( ) A .0B .1C .2D .3 答案 C
解析 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. (3)函数f (x )=x -cos x 在[0,+∞)内( ) A .没有零点 B .有且仅有一个零点 C .有且仅有两个零点
D .有无穷多个零点
解析 当x ∈(0,1]时,因为f ′(x )=1
2x +sin x ,x >0,sin x >0,所以f ′(x )>0,故f (x )
在[0,1]上单调递增,且f (0)=-1<0,f (1)=1-cos1>0,所以f (x )在[0,1]内有唯一零点.当
x >1时,f (x )=x -cos x >0,故函数f (x )在[0,+∞)上有且仅有一个零点,故选B.
思维升华函数零点个数的判断方法 (1)直接求零点.
(2)利用零点存在性定理再结合函数的单调性确定零点个数. (3)利用函数图象的交点个数判断.
跟踪训练1(1)已知函数f (x )=⎩
⎪⎨
⎪⎧
x 2
+2x ,x ≤0,|lg x |,x >0,则函数g (x )=f (1-x )-1的零点个数为
( )
A .1
B .2
C .3
D .4 答案 C
解析 g (x )=f (1-x )-1
=⎩⎪⎨
⎪⎧
(1-x )2
+2(1-x )-1,1-x ≤0,
|lg (1-x )|-1,1-x >0
=⎩⎪⎨⎪⎧
x 2
-4x +2,x ≥1,|lg (1-x )|-1,x <1,
易知当x ≥1时,函数g (x )有1个零点;当x <1时,函数g (x )有2个零点,所以函数g (x )的零点共有3个,故选C.
(2)函数f (x )=4cos 2x 2·cos ⎝ ⎛⎭
⎪⎫π2-x -2sin x -|ln(x +1)|的零点个数为________.
答案 2
解析 f (x )=2(1+cos x )sin x -2sin x -|ln(x +1)|=sin2x -|ln(x +1)|,x >-1, 函数f (x )的零点个数即为函数y 1=sin2x (x >-1)与y 2=|ln(x +1)|(x >-1)的图象的交点个数.
分别作出两个函数的图象,如图,可知有两个交点,则f (x )有两个零点.
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2(1)(2018·大连模拟)若函数f (x )=x 2
-ax +1在区间⎝ ⎛⎭
⎪⎫12,3上有零点,则实数a 的取值
范围是( )
A .(2,+∞) B.[2,+∞) C.⎣⎢⎡⎭⎪⎫2,52D.⎣
⎢⎡⎭⎪⎫2,103
答案 D
解析 由题意知方程ax =x 2
+1在⎝ ⎛⎭
⎪⎫12,3上有实数解,
即a =x +1x 在⎝ ⎛⎭⎪⎫12,3上有解,设t =x +1x ,x ∈⎝ ⎛⎭⎪⎫12,3,则t 的取值范围是⎣
⎢⎡⎭⎪⎫2,103.所以实数a
的取值范围是⎣
⎢⎡⎭⎪⎫2,103.
(2)已知函数()21
2
11log 1x x f x x x ⎧⎪
⎨⎪⎩-,<,=,≥,若关于x 的方程f (x )=k 有三个不同的实根,则实数k
的取值范围是______. 答案 (-1,0)
解析 关于x 的方程f (x )=k 有三个不同的实根,等价于函数y =f (x )与函数y =k 的图象有三个不同的交点,作出函数的图象如图所示,由图可知实数k 的取值范围是(-1,0).
命题点2 根据函数零点的范围求参数
例3若函数f (x )=(m -2)x 2
+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 ⎝ ⎛⎭
⎪⎫14,12
解析 依题意,结合函数f (x )的图象分析可知,m 需满足⎩⎪⎨⎪
⎧
m ≠2,f (-1)·f (0)<0,
f (1)·f (2)<0,
即⎩⎪⎨⎪
⎧
m ≠2,(m -2-m +2m +1)(2m +1)<0,(m -2+m +2m +1)[4(m -2)+2m +2m +1]<0,
解得14<m <12
.
思维升华根据函数零点的情况求参数有三种常用方法
(1)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. (2)分离参数法:先将参数分离,转化成求函数值域问题加以解决.
(3)数形结合法:先对解析式变形,在同一平面直角坐标系中画出函数的图象,然后数形结合求解.
跟踪训练2(1)方程12
log (2)2x a x -=+有解,则a 的最小值为________.
答案 1
解析 若方程12
log (2)2x a x -=+有解,则⎝ ⎛⎭
⎪⎫122+x =a -2x
有解,即14⎝ ⎛⎭⎪⎫12x +2x =a 有解,因为14⎝ ⎛⎭⎪
⎫12x
+2x
≥1,故a 的最小值为1.
(2)已知函数f (x )=⎩
⎪⎨⎪⎧
2x -1,x >0,
x 2
+x ,x ≤0,若函数g (x )=f (x )-m 有三个零点,则实数m 的取值
范围是________.
答案 ⎝ ⎛⎦
⎥⎤-14,0
解析 作出函数f (x )的图象如图所示.
当x ≤0时,f (x )=x 2
+x =⎝ ⎛⎭⎪⎫x +122-14≥-14,若函数f (x )与y =m 的图象有三个不同的交点,
则-14<m ≤0,即实数m 的取值范围是⎝ ⎛⎦
⎥⎤-14,0.
利用转化思想求解函数零点问题
在求和函数零点有关的参数范围问题中,一般有两种思路:
(1)函数零点个数可转化为两个函数图象的交点个数,利用数形结合求解参数范围. (2)“a =f (x )有解”型问题,可以通过求函数y =f (x )的值域解决. 例(1)若函数f (x )=|log a x |-2-x
(a >0且a ≠1)的两个零点是m ,n ,则( )
A .mn =1
B .mn >1
C .0<mn <1
D .以上都不对
答案 C
解析 由题设可得|log a x |=⎝ ⎛⎭⎪⎫12x ,不妨设a >1,m <n ,画出函数y =|log a x |,y =⎝ ⎛⎭
⎪⎫12x
的图象如
图所示,
结合图象可知0<m <1,n >1,且-log a m =⎝ ⎛⎭⎪⎫12m ,log a n =⎝ ⎛⎭⎪⎫12n
,以上两式两边相减可得log a (mn )
=⎝ ⎛⎭⎪⎫12n -⎝ ⎛⎭
⎪⎫12m
<0,所以0<mn <1,故选C. (2)(2018·全国Ⅰ)已知函数f (x )=⎩⎪⎨
⎪
⎧
e x
,x ≤0,ln x ,x >0,
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,+∞)
答案 C
解析 令h (x )=-x -a , 则g (x )=f (x )-h (x ).
在同一坐标系中画出y =f (x ),y =h (x )图象的示意图,如图所示.
若g (x )存在2个零点,则y =f (x )的图象与y =h (x )的图象有2个交点.
方法一 平移y =h (x )的图象可知,当直线y =-x -a 过点(0,1)时,有2个交点, 此时1=-a ,a =-1.
当y =-x -a 在y =-x +1上方,即a <-1时,仅有1个交点,不符合题意; 当y =-x -a 在y =-x +1下方,即a >-1时,有2个交点,符合题意. 综上,a 的取值范围为[-1,+∞). 故选C.
方法二 由图知-a ≤1,∴a ≥-1.
(3)若关于x 的方程22x +2x
a +a +1=0有实根,则实数a 的取值范围为________. 答案 (-∞,2-22]
解析 由方程,解得a =-22x
+12x +1,设t =2x
(t >0),
则a =-t 2+1t +1=-⎝ ⎛⎭⎪⎫t +2t +1-1
=2-⎣
⎢⎡⎦
⎥⎤
(t +1)+
2t +1,其中t +1>1, 由均值不等式,得(t +1)+
2
t +1
≥22, 当且仅当t =2-1时取等号,故a ≤2-2 2.
1.已知函数f (x )=6
x
-log 2x ,在下列区间中,包含f (x )零点的区间是( )
A .(0,1)
B .(1,2)
C .(2,4)
D .(4,+∞)
答案 C
解析 因为f (1)=6-log 21=6>0,f (2)=3-log 22=2>0,f (4)=32-log 24=-1
2<0,所以函
数f (x )的零点所在区间为(2,4).
2.函数f (x )=12
x -⎝ ⎛⎭
⎪⎫12x
的零点个数为( )
A .0
B .1
C .2
D .3 答案 B
解析 函数f (x )=12
x -⎝ ⎛⎭⎪⎫12x 的零点个数是方程12x -⎝ ⎛⎭⎪⎫12x =0的解的个数,即方程1
2x =⎝ ⎛⎭⎪
⎫12x
的解的个数,也就是函数y =12
x 与y =⎝ ⎛⎭
⎪⎫12x
的图象的交点个数,在同一坐标系中作出两个函
数的图象如图所示,可得交点个数为1.
3.函数f (x )=2x
-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) 答案 C
解析 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<a <3,故选C.
4.已知函数f (x )=⎩⎪⎨⎪
⎧
1,x ≤0,1
x ,x >0,则使方程x +f (x )=m 有解的实数m 的取值范围是( )
A .(1,2)
B .(-∞,-2]
C .(-∞,1)∪(2,+∞)
D .(-∞,1]∪[2,+∞) 答案 D
解析 当x ≤0时,x +f (x )=m ,即x +1=m ,解得m ≤1;当x >0时,x +f (x )=m ,即x +1
x
=
m ,解得m ≥2,即实数m 的取值范围是(-∞,1]∪[2,+∞).故选D.
5.(2018·营口模拟)已知关于x 的方程1
x +2
=a |x |有三个不同的实数解,则实数a 的取值范围是( ) A .(-∞,0) B .(0,1) C .(1,+∞) D .(0,+∞)
答案 C 解析 方程
1x +2=a |x |有三个不同的实数解等价于函数y =1
x +2
与y =a |x |的图象有三个不同的交点.在同一直角坐标系中作出函数y =
1
x +2
与y =a |x |的图象,如图所示,
由图易知,a >0.当-2<x <0时,设函数y =a |x |=-ax 的图象与函数y =f (x )=1
x +2
的图象相切于点(x 0,y 0),
因为f ′(x )=-1
(x +2)
2
,则有⎩⎪⎨⎪⎧
y 0=-ax 0,
y 0
=1x 0+2,1(x 0
+2)2
=a ,
解得a =1,所以实数a 的取值范围为(1,+∞),故选C.
6.已知f (x )=⎩
⎪⎨⎪⎧
x +3,x ≤1,
-x 2
+2x +3,x >1,则函数g (x )=f (x )-e x
的零点个数为________.
答案 2
解析 函数g (x )=f (x )-e x
的零点个数即为函数y =f (x )与y =e x
的图象的交点个数.作出函数图象可知有2个交点,即函数g (x )=f (x )-e x
有2个零点.
7.若函数f (x )=x 2
+ax +b 的两个零点是-2和3,则不等式af (-2x )>0的解集是____________.
答案 ⎩⎪⎨⎪⎧⎭
⎪⎬⎪
⎫x ⎪⎪⎪
-3
2
<x <1
解析 ∵f (x )=x 2
+ax +b 的两个零点是-2,3. ∴-2,3是方程x 2
+ax +b =0的两根,
由根与系数的关系知⎩⎪⎨
⎪⎧
-2+3=-a ,
-2×3=b .
∴⎩
⎪⎨
⎪⎧
a =-1,
b =-6,
∴f (x )=x 2
-x -6.∵不等式af (-2x )>0, 即-(4x 2
+2x -6)>0⇔2x 2
+x -3<0,
解集为⎩⎪⎨⎪⎧⎭
⎪⎬⎪
⎫x ⎪⎪⎪
-3
2
<x <1
. 8.已知函数f (x )=⎩⎪⎨⎪⎧
x 3
,x ≤a ,
x 2
,x >a .
若存在实数b ,使函数g (x )=f (x )-b 有两个零点,则a
的取值范围是________. 答案 (-∞,0)∪(1,+∞)
解析 令φ(x )=x 3
(x ≤a ),h (x )=x 2
(x >a ),函数g (x )=f (x )-b 有两个零点,即函数y =
f (x )的图象与直线y =b 有两个交点,结合图象(图略)可得a <0或φ(a )>h (a ),即a <0或a 3>a 2
,
解得a <0或a >1,故a ∈(-∞,0)∪(1,+∞).
9.定义在R 上的奇函数f (x )满足:当x >0时,f (x )=2019x
+log 2019x ,则在R 上,函数f (x )零点的个数为________. 答案 3
解析 因为函数f (x )为R 上的奇函数,
所以f (0)=0,当x >0时,f (x )=2019x
+log 2019x 在区间⎝ ⎛⎭⎪⎫0,12019内存在一个零点,又f (x )
为增函数,
因此在(0,+∞)内有且仅有一个零点.
根据对称性可知函数在(-∞,0)内有且仅有一个零点, 从而函数f (x )在R 上的零点个数为3.
10.已知函数f (x )=⎝ ⎛⎭⎪⎫12x ,g (x )=12
log x ,记函数h (x )=⎩⎪⎨
⎪⎧
g (x ),f (x )≤g (x ),f (x ),f (x )>g (x ),则函数F (x )
=h (x )+x -5的所有零点的和为________. 答案 5
解析 由题意知函数h (x )的图象如图所示,易知函数h (x )的图象关于直线y =x 对称,函数
F (x )所有零点的和就是函数y =h (x )与函数y =5-x 图象交点横坐标的和,设图象交点的横
坐标分别为x 1,x 2,因为两函数图象的交点关于直线y =x 对称,所以x 1+x 2
2
=5-
x 1+x 2
2
,所
以x 1+x 2=5.
11.设f (x )是定义在R 上的偶函数,对任意的x ∈R ,都有f (x -2)=f (x +2),且当x ∈[-
2,0]时,f (x )=⎝ ⎛⎭
⎪⎫12x
-1,若函数g (x )=f (x )-log a (x +2)(a >1)在区间[-2,6]内恰有三个
零点,求实数a 的取值范围.
解 根据题意得f ((x +2)-2)=f ((x +2)+2),即f (x )=f (x +4),故函数f (x )的周期为4.若方程f (x )-log a (x +2)=0(a >1)在区间[-2,6]内恰有三个不同的实根,则函数y =f (x )和y =log a (x +2)的图象在区间[-2,6]内恰有三个不同的交点,根据图象可知,log a (6+2)>3
且log a (2+2)<3,解得3
4<a <2.
12.关于x 的二次方程x 2
+(m -1)x +1=0在区间[0,2]上有解,求实数m 的取值范围. 解 显然x =0不是方程x 2+(m -1)x +1=0的解, 0<x ≤2时,方程可变形为1-m =x +1
x
,
又∵y =x +1
x
在(0,1]上单调递减,在[1,2]上单调递增,
∴y =x +1
x
在(0,2]上的取值范围是[2,+∞),
∴1-m ≥2,∴m ≤-1, 故m 的取值范围是(-∞,-1].
13.已知f (x )是奇函数并且是R 上的单调函数,若函数y =f (2x 2
+1)+f (λ-x )只有一个零点,则实数λ的值是( ) A.14B.18C .-78D .-38 答案 C
解析 依题意,方程f (2x 2
+1)+f (λ-x )=0只有1个解,故f (2x 2+1)=-f (λ-x )=f (x -λ)有1个实数解,
∴2x 2
+1=x -λ,即2x 2-x +1+λ=0有两相等实数解, 故Δ=1-8(1+λ)=0,解得λ=-7
8
.故选C.
14.定义在R 上的奇函数f (x ),当x ≥0时,f (x )=⎩⎪⎨⎪⎧
-2x x +1
,x ∈[0,1),
1-|x -3|,x ∈[1,+∞),则函
数F (x )=f (x )-1
π的所有零点之和为________.
答案
1
1-2π
解析 由题意知,当x <0时, f (x )=⎩⎪⎨⎪⎧
-2x 1-x ,x ∈(-1,0),|x +3|-1,x ∈(-∞,-1],
作出函数f (x )的图象如图所示,设函数y =f (x )
的图象与y =1
π交点的横坐标从左到右依次为x 1,x 2,x 3,x 4,x 5,由图象的对称性可知,x 1
+x 2=-6,x 4+x 5=6,x 1+x 2+x 4+x 5=0,令-2x 1-x =1π,解得x 3=1
1-2π,所以函数F (x )
=f (x )-1π的所有零点之和为1
1-2π
.
15.已知函数f (x )是偶函数,f (0)=0,且x >0时,f (x )是增函数,f (3)=0,则函数g (x )=f (x )+lg|x +1|的零点个数为________. 答案 3
解析 画出函数y =f (x )和y =-lg|x +1|的大致图象,如图所示.
∴由图象知,函数g (x )=f (x )+lg|x +1|的零点的个数为3.
16.已知函数f (x )=⎩
⎪⎨
⎪⎧
2|log 2x |,0<x ≤2,
(x -3)(x -4),x >2,若f (x )=m 有四个零点a ,b ,c ,d ,求abcd
的取值范围.
解 作出函数f (x )的图象,不妨设a <b <c <d ,
则-log 2a =log 2b ,∴ab =1.
又根据二次函数的对称性,可知c +d =7, ∴cd =c (7-c )=7c -c 2
(2<c <3), ∴10<cd <12,
∴abcd 的取值范围是(10,12)。