人教A版(理)数学一轮复习导练测:第二章 函数与基本初等函数I 2.8
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2.8 函数与方程
1.函数的零点 (1)函数零点的定义
对于函数y =f (x ) (x ∈D ),把使f (x )=0的实数x 叫做函数y =f (x ) (x ∈D )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y =ax 2+bx +c (a >0)的图象与零点的关系
3.对于在区间[a ,b ]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. 【思考辨析】
判断下面结论是否正确(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)只要函数有零点,我们就可以用二分法求出零点的近似值.( × ) (5)函数y =2sin x -1的零点有无数多个.( √ )
(6)函数f (x )=kx +1在[1,2]上有零点,则-1<k <-1
2
.( × )
1.(2013·重庆)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 由于a <b <c ,所以f (a )=0+(a -b )(a -c )+0>0,f (b )=(b -c )(b -a )<0,f (c )=(c -a )(c -b )>0.因此有f (a )·f (b )<0,f (b )·f (c )<0,又因f (x )是关于x 的二次函数,函数的图象是连续不断的曲线,因此函数f (x )的两零点分别位于区间(a ,b )和(b ,c )内,故选A. 2.(2013·天津)函数f (x )=2x |log 0.5x |-1的零点个数为( ) A .1B .2C .3D .4 答案 B
解析 当0<x <1时,f (x )=2x log 0.5x -1,令f (x )=0,则log 0.5x =⎝⎛⎭⎫12x .
由y =log 0.5x ,y =⎝⎛⎭⎫12x 的图象知,在(0,1)内有一个交点,即f (x )在(0,1)上有一个零点. 当x >1时,f (x )=-2x log 0.5x -1=2x log 2x -1, 令f (x )=0得log 2x =⎝⎛⎭⎫12x ,
由y =log 2x ,y =⎝⎛⎭⎫12x 的图象知在(1,+∞)上有一个交点,即f (x )在(1,+∞)上有一个零点,故选B.
3.(2014·湖北)已知f (x )是定义在R 上的奇函数,当x ≥0时,f (x )=x 2-3x ,则函数g (x )=f (x )-x +3的零点的集合为( ) A .{1,3} B .{-3,-1,1,3} C .{2-7,1,3} D .{-2-7,1,3} 答案 D
解析 令x <0,则-x >0,
所以f (-x )=(-x )2-3(-x )=x 2+3x . 因为f (x )是定义在R 上的奇函数, 所以f (-x )=-f (x ).
所以当x <0时,f (x )=-x 2-3x .
所以当x ≥0时,g (x )=x 2-4x +3.令g (x )=0,即x 2-4x +3=0,解得x =1或x =3.当x <0时,g (x )=-x 2-4x +3.令g (x )=0,即x 2+4x -3=0,解得x =-2+7>0(舍去)或x =-2-7.所
以函数g (x )有三个零点,故其集合为{-2-7,1,3}.
4.已知函数f (x )=ln x -x +2有一个零点所在的区间为(k ,k +1) (k ∈N +),则k 的值为________. 答案 3
解析 由题意知,当x >1时,f (x )单调递减,因为f (3)=ln3-1>0,f (4)=ln4-2<0,所以该函数的零点在区间(3,4)内,所以k =3.
题型一 函数零点的判断和求解
例1 (1)设x 0是方程ln x +x =4的解,则x 0属于( ) A .(0,1) B .(1,2) C .(2,3)
D .(3,4)
(2)函数f (x )=⎩
⎪⎨⎪⎧
ln x -x 2
+2x ,x >0,
4x +1,x ≤0的零点个数是________.
答案 (1)C (2)3
解析 (1)设f (x )=ln x +x -4, ∵f (2)=ln2-2<0,f (3)=ln3-1>0, ∴x 0∈(2,3).
(2)当x >0时:作函数y =ln x 和y =x 2-2x 的图象,
由图知,x >0时,f (x )有两个零点; 当x <0时,由f (x )=0得x =-1
4,
综上,f (x )有三个零点. 思维升华 函数零点的求法:
(1)直接求零点:令f (x )=0,如果能求出解,则有几个解就有几个零点.
(2)零点存在性定理:利用定理不仅要函数在区间[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.
(3)利用图象交点的个数:将函数变形为两个函数的差,画两个函数的图象,看其有几个交点,就有几个不同的零点.
(1)函数f (x )=2x +3x 的零点所在的一个区间是( )
A .(-2,-1)
B .(-1,0)
C .(0,1)
D .(1,2)
(2)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 )-log 3|x |的零点个数是( ) A .多于4个 B .4个 C .3个
D .2个
答案 (1)B (2)B
解析 (1)∵f (x )=2x +3x 在R 上是增函数. 而f (-2)=2-
2-6<0,f (-1)=2-
1-3<0,
f (0)=20=1>0,f (1)=2+3=5>0,f (2)=22+6=10>0, ∴f (-1)·f (0)<0.
故函数f (x )在区间(-1,0)上有零点. (2)由题意知,f (x )是周期为2的偶函数.
在同一坐标系内作出函数y =f (x )及y =log 3|x |的图象,如下:
观察图象可以发现它们有4个交点, 即函数y =f (x )-log 3|x |有4个零点. 题型二 二次函数的零点问题
例2 已知函数f (x )=x 2+ax +2,a ∈R .
(1)若不等式f (x )≤0的解集为[1,2],求不等式f (x )≥1-x 2的解集;
(2)若函数g (x )=f (x )+x 2+1在区间(1,2)上有两个不同的零点,求实数a 的取值范围. 解 (1)因为不等式f (x )≤0的解集为[1,2], 所以a =-3,于是f (x )=x 2-3x +2. 由f (x )≥1-x 2得,1-x 2≤x 2-3x +2, 解得x ≤1
2
或x ≥1,
所以不等式f (x )≥1-x 2的解集为{x |x ≤1
2
或x ≥1}.
(2)函数g (x )=2x 2
+ax +3在区间(1,2)上有两个不同的零点,则⎩⎪⎨⎪
⎧
g (1)>0,
g (2)>0,1<-a
4
<2,
a 2
-24>0,
即错误!解得-5<a <-2错误!.
所以实数a 的取值范围是(-5,-26).
思维升华 解决二次函数的零点问题:(1)可利用一元二次方程的求根公式;(2)可用一元二次方程的判别式及根与系数之间的关系;(3)利用二次函数的图象列不等式组.
已知f (x )=x 2+(a 2-1)x +(a -2)的一个零点比1大,一个零点比1小,求实数a
的取值范围.
解 方法一 设方程x 2+(a 2-1)x +(a -2)=0的两根分别为x 1,x 2(x 1<x 2),则(x 1-1)(x 2-1)<0, 即x 1x 2-(x 1+x 2)+1<0, 由根与系数的关系,
得(a -2)+(a 2-1)+1<0, 即a 2+a -2<0,∴-2<a <1. 方法二 函数图象大致如图, 则有f (1)<0,
即1+(a 2-1)+a -2<0, 故-2<a <1.
题型三 函数零点和参数的范围
例3 若关于x 的方程22x +2x a +a +1=0有实根,求实数a 的取值范围. 解 方法一 (换元法)
设t =2x (t >0),则原方程可变为t 2+at +a +1=0,(*) 原方程有实根,即方程(*)有正根. 令f (t )=t 2+at +a +1.
①若方程(*)有两个正实根t 1,t 2, 则⎩⎪⎨⎪
⎧
Δ=a 2
-4(a +1)≥0,t 1+t 2=-a >0,t 1·
t 2=a +1>0,解得-1<a ≤2-22;
②若方程(*)有一个正实根和一个负实根(负实根,不合题意,舍去),则f (0)=a +1<0,解得a <-1;
③若方程(*)有一个正实根和一个零根,则f (0)=0且-a
2>0,解得a =-1.
综上,a 的取值范围是(-∞,2-22]. 方法二 (分离变量法)
由方程,解得a =-22x +1
2x +1,设t =2x (t >0),
则a =-t 2+1
t +1
=-⎝⎛⎭⎫t +2t +1-1
=2-⎣⎡⎦
⎤(t +1)+2
t +1,其中t +1>1,
由基本不等式,得(t +1)+2
t +1≥22,当且仅当t =2-1时取等号,故a ≤2-2 2.
思维升华 对于“a =f (x )有解”型问题,可以通过求函数y =f (x )的值域来解决,解的个数也可化为函数y =f (x )的图象和直线y =a 交点的个数.
(2014·江苏)已知f (x )是定义在R 上且周期为3的函数,当x ∈[0,3)时,f (x )=|x 2-
2x +1
2|.若函数y =f (x )-a 在区间[-3,4]上有10个零点(互不相同),则实数a 的取值范围是
________. 答案 (0,1
2
)
解析 作出函数y =f (x )在[-3,4]上的图象,f (-3)=f (-2)=f (-1)=f (0)=f (1)=f (2)=f (3)=f (4)=12,观察图象可得0<a <12
.
数形结合思想在函数零点问题中的应用
典例:(1)方程log 3x +x -3=0的解所在的区间是( ) A .(0,1) B .(1,2) C .(2,3) D .(3,4)
(2)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 =________.
思维点拨 (1)利用零点存在性定理;(2)利用临界情况时f (x )的图象观察零点的大小. 解析 (1)设f (x )=log 3x +x -3, 则f (2)=log 32-1<0, f (3)=log 33+3-3=1>0, ∴f (x )=0在(2,3)有零点,
又f (x )为增函数,∴f (x )=0的零点在(2,3)内.
(2)在直角坐标系下分别作出y =log 2x ,y =log 3x 及y =3-x ,y =4-x 的图象,如图所示,显然所有可能的交点构成图中的阴影区域(不含边界),其中各点的横坐标均落于(2,3)之内,又因为
x 0∈(n ,n +1),n ∈N *,故n =2.
答案 (1)C (2)2
温馨提醒 (1)零点问题可转化为函数图象的交点问题进行求解,体现了数形结合的思想.(2)求零点范围时用数形结合求解可减少思维量,作图时要尽量准确.
方法与技巧
1.函数零点的判定常用的方法有
(1)零点存在性定理;(2)数形结合;(3)解方程f (x )=0.
2.研究方程f (x )=g (x )的解,实质就是研究G (x )=f (x )-g (x )的零点.
3.转化思想:方程解的个数问题可转化为两个函数图象交点的个数问题;已知方程有解求参数范围问题可转化为函数值域问题. 失误与防范
1.函数f (x )的零点是一个实数,是方程f (x )=0的根,也是函数y =f (x )的图象与x 轴交点的横坐标.
2.函数零点存在性定理是零点存在的一个充分条件,而不是必要条件;判断零点个数还要根据函数的单调性、对称性或结合函数图象.
A 组 专项基础训练 (时间:45分钟)
1.已知函数f (x )=⎩⎪⎨⎪
⎧
2x -1, x ≤1,1+log 2
x ,x >1,则函数f (x )的零点为( )
A.1
2,0 B .-2,0 C.12 D .0
答案 D
解析 当x ≤1时,由f (x )=2x -1=0,解得x =0;当x >1时,由f (x )=1+log 2x =0,解得x =1
2,
又因为x >1,所以此时方程无解. 综上函数f (x )的零点只有0,故选D.
2.方程|x 2-2x |=a 2+1(a >0)的解的个数是( ) A .1B .2C .3D .4 答案 B
解析 (数形结合法) ∵a >0,∴a 2+1>1. 而y =|x 2-2x |的图象如图,
∴y =|x 2-2x |的图象与y =a 2+1的图象总有两个交点.
3.若关于x 的方程x 2+mx +1=0有两个不相等的实数根,则实数m 的取值范围是( ) A .(-1,1)
B .(-2,2)
C .(-∞,-2)∪(2,+∞)
D .(-∞,-1)∪(1,+∞) 答案 C
解析 ∵方程x 2+mx +1=0有两个不相等的实数根, ∴Δ=m 2-4>0,∴m >2或m <-2.
4.函数f (x )=x cos x 2在区间[0,4]上的零点个数为( ) A .4 B .5 C .6 D .7
答案 C
解析 由f (x )=x cos x 2=0,得x =0或cos x 2=0. 又x ∈[0,4],所以x 2∈[0,16]. 由于cos(π
2
+k π)=0(k ∈Z ),
而在π2+k π(k ∈Z )的所有取值中,只有π2,3π2,5π2,7π2,9π
2满足在[0,16]内,故零点个数为1+5
=6.
5.已知三个函数f (x )=2x +x ,g (x )=x -2,h (x )=log 2x +x 的零点依次为a ,b ,c ,则( ) A .a <b <c B .a <c <b C .b <a <c D .c <a <b
答案 B
解析 方法一 由于f (-1)=12-1=-1
2<0,f (0)=1>0,
且f (x )为R 上的递增函数. 故f (x )=2x +x 的零点a ∈(-1,0).
∵g (2)=0,∴g (x )的零点b =2; ∵h ⎝⎛⎭⎫12=-1+12=-12<0,h (1)=1>0, 且h (x )为(0,+∞)上的增函数, ∴h (x )的零点c ∈⎝⎛⎭⎫12,1,因此a <c <b . 方法二 由f (x )=0得2x =-x ;
由h (x )=0得log 2x =-x 作出函数y =2x , y =log 2x 和y =-x 的图象(如图).
由图象易知a <0,0<c <1,而b =2, 故a <c <b .
6.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}.
7.函数f (x )=3x -7+ln x 的零点位于区间(n ,n +1)(n ∈N )内,则n =________. 答案 2
解析 由于ln2<lne =1,所以f (2)<0,f (3)=2+ln3,由于ln3>1,所以f (3)>0,所以增函数f (x )的零点位于区间(2,3)内,故n =2.
8.已知函数f (x )=⎩
⎪⎨⎪⎧
2x -1,x >0,
-x 2-2x ,x ≤0,若函数g (x )=f (x )-m 有3个零点,则实数m 的取值范
围是________.
答案 (0,1)
解析 画出f (x )=⎩
⎪⎨⎪⎧
2x -1,x >0,
-x 2-2x ,x ≤0的图象,如图.
由于函数g (x )=f (x )-m 有3个零点,结合图象得:0<m <1,即m ∈(0,1). 9.判断函数f (x )=4x +x 2-2
3
x 3在区间[-1,1]上零点的个数,并说明理由.
解 因为f (-1)=-4+1+23=-73<0,f (1)=4+1-23=13
3>0,所以f (x )在区间[-1,1]上有零点.
又f ′(x )=4+2x -2x 2=92-2(x -12)2,当-1≤x ≤1时,0≤f ′(x )≤9
2,所以f (x )在[-1,1]上单调
递增.
所以f (x )在[-1,1]上有且只有一个零点.
10.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 方法一 设f (x )=x 2+(m -1)x +1,x ∈[0,2], ①若f (x )=0在区间[0,2]上有一解, ∵f (0)=1>0,则应有f (2)<0, 又∵f (2)=22+(m -1)×2+1, ∴m <-3
2
.
②若f (x )=0在区间[0,2]上有两解,则
⎩⎪⎨⎪⎧
Δ≥0,
0<-m -1
2<2,f (2)≥0,
∴⎩⎪⎨⎪
⎧
(m -1)2
-4≥0,-3<m <1,4+(m -1)×2+1≥0.
∴⎩⎪⎨
⎪⎧
m ≥3或m ≤-1,
-3<m <1,m ≥-32.
∴-3
2
≤m ≤-1.
由①②可知m 的取值范围是(-∞,-1].
方法二 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,[1,2]上单调递增,
∴y =x +1
x 在(0,2]的取值范围是[2,+∞),
∴1-m ≥2,∴m ≤-1, 故m 的取值范围是(-∞,-1].
B 组 专项能力提升 (时间:25分钟)
11.(2014·重庆)已知函数f (x )=⎩⎪⎨⎪⎧
1x +1-3, x ∈(-1,0],
x ,x ∈(0,1],且g (x )=f (x )-mx -m 在(-1,1]
内有且仅有两个不同的零点,则实数m 的取值范围是( ) A.⎝⎛⎦⎤-94,-2∪⎝⎛⎦⎤0,1
2 B.⎝⎛⎦⎤-114,-2∪⎝⎛⎦⎤0,12 C.⎝⎛⎦⎤-94,-2∪⎝⎛⎦⎤0,2
3 D.⎝⎛⎦⎤-114,-2∪⎝⎛⎦⎤0,23 答案 A
解析 作出函数f (x )的图象如图所示, 其中A (1,1),B (0,-2).
因为直线y =mx +m =m (x +1)恒过定点C (-1,0),故当直线y =m (x +1)在AC 位置时,m =12,
可知当直线y =m (x +1)在x 轴和AC 之间运动时两图象有两个不同的交点(直线y =m (x +1)可与AC 重合但不能与x 轴重合),此时0<m ≤1
2,g (x )有两个不同的零点.当直线y =m (x +1)过
点B 时,m =-2;当直线y =m (x +1)与曲线f (x )相切时,联立⎩⎪⎨⎪⎧
y =1x +1-3,
y =m (x +1),得mx 2+(2m +
3)x +m +2=0,由Δ=(2m +3)2-4m (m +2)=0,解得m =-9
4,可知当y =m (x +1)在切线和
BC 之间运动时两图象有两个不同的交点(直线y =m (x +1)可与BC 重合但不能与切线重合),此时-94<m ≤-2,g (x )有两个不同的零点.综上,m 的取值范围为(-94,-2]∪(0,1
2
],故选
A.
12.若直角坐标平面内的两点P ,Q 满足条件:①P ,Q 都在函数y =f (x )的图象上;②P ,Q 关于原点对称,则称点对[P ,Q ]是函数y =f (x )的一对“友好点对”(点对[P ,Q ]与[Q ,P ]看作
同一对“友好点对”).已知函数f (x )=⎩
⎪⎨⎪⎧
log 2x ,x >0,
-x 2-4x ,x ≤0,则此函数的“友好点对”有( )
A .0对
B .1对
C .2对
D .3对 答案 C
解析 函数f (x )=⎩
⎪⎨⎪⎧
log 2x ,x >0,
-x 2
-4x ,x ≤0的图象及函数f (x )=-x 2-
4x (x ≤0)的图象关于原点对称的图象如图所示,则A ,B 两点关于原点的对称点一定在函数f (x )=-x 2-4x (x ≤0)的图象上,故函数f (x )的“友好点对”有2对,选C.
13.若方程4-x 2=k (x -2)+3有两个不等的实根,则k 的取值范围是________. 答案 (512,3
4
]
解析 作出函数y 1=4-x 2和y 2=k (x -2)+3的图象如图所示,函数y 1的图象是圆心在原点,半径为2的圆在x 轴上方的半圆(包括端点),函数y 2的图象是过定点P (2,3)的直线,因为点A (-2,0),则k P A =3-0
2-(-2)
=
34.直线PB 是圆的切线,由圆心到直线的距离等于半径得,|3-2k PB |k 2PB +1=2,得k PB =5
12.由图可知当k PB <k ≤k P A 时,两函数图象有两个交点,即原方程有两个不等实根.所以512<k ≤34
.
14.已知0<a <1,k ≠0,函数f (x )=⎩
⎪⎨⎪⎧
a x
, x ≥0,
kx +1,x <0,若函数g (x )=f (x )-k 有两个零点,
则实数k 的取值范围是________. 答案 (0,1)
解析 函数g (x )=f (x )-k 有两个零点,即f (x )-k =0有两个解,即y =f (x )与y =k 的图象有两个交点.分k >0和k <0作出函数f (x )的图象.当0<k <1时,函数y =f (x )与y =k 的图象有两个交点;当k =1时,有一个交点;当k >1或k <0时,没有交点,故当0<k <1时满足题意.
15.已知函数f (x )=-x 2
+2e x +m -1,g (x )=x +e 2
x
(x >0).
(1)若y =g (x )-m 有零点,求m 的取值范围;
(2)确定m 的取值范围,使得g (x )-f (x )=0有两个相异实根. 解 (1)方法一 ∵g (x )=x +e 2
x ≥2e 2=2e ,
等号成立的条件是x =e , 故g (x )的值域是[2e ,+∞),
因而只需m ≥2e ,则y =g (x )-m 就有零点. 方法二 作出g (x )=x +e 2
x (x >0)的大致图象如图.
可知若使y =g (x )-m 有零点,则只需m ≥2e.
(2)若g (x )-f (x )=0有两个相异实根,即g (x )与f (x )的图象有两个不同的交点,
作出g (x )=x +e 2
x (x >0)的大致图象如图.
∵f (x )=-x 2+2e x +m -1=-(x -e)2+m -1+e 2. ∴其图象的对称轴为x =e ,开口向下, 最大值为m -1+e 2.
故当m -1+e 2>2e ,即m >-e 2+2e +1时,g (x )与f (x )有两个交点,即g (x )-f (x )=0有两个相异实根.
∴m 的取值范围是(-e 2+2e +1,+∞).。