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1.3 零点应用

导数在函数零点与不等式中的应用 · 高二
先确认一下:这一关能不能学
先会这个
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 利用函数零点存在性定理及单调性,确定方程根的存在性、个数或取值范围。

从哪来 基于 5.3 导数与方程 的核心思想,结合 4.2 导数与单调性 判断函数走势,并借助 5.4 导数与不等式 进行放缩估算。

为什么 方程 $f(x)=0$ 的解即函数 $y=f(x)$ 的零点。 1. 存在性:依据介值定理,若函数连续且端点异号,中间必有零点。 2. 唯一性/个数:导数 $f'(x)$ 决定单调性。若 $f'(x)$ 恒正或恒负,函数单调,零点至多一个;若 $f'(x)$ 变号,函数有极值,需比较极值与0的大小来确定零点个数。 3. 范围:通过计算特定点的函数值符号,结合单调性,将零点“夹”在两个数之间。 本质是将“代数方程求解”转化为“函数性质分析”,这是处理超越方程或高次方程无法直接求根时的通用策略。

数形结合法(直观演示)** **适合:形象思维强、对抽象代数运算畏惧的学生** 1. **画图
先画出 $f(x)$ 的大致草图(利用导数判断增减、极值点位置)。 2. 标号:在 $x$ 轴上标出关键整数点(如 -1, 0, 1, 2...),计算这些点的 $f(x)$ 值。 3. 连线:观察曲线穿过 $x$ 轴的位置。 4. 结论:若 $f(a)<0, f(b)>0$ 且区间内单调,则零点在 $(a,b)$ 内。 *口诀:看符号,定区间;看单调,定个数。*
逻辑推演法(严谨证明)** **适合:逻辑严密、擅长代数推导、准备参加竞赛或高考压轴题的学生** 1. **求导
计算 $f'(x)$,分析 $f'(x)$ 的符号变化,确定 $f(x)$ 的单调区间和极值点 $x_0$。 2. 分类讨论: - 若 $f(x)$ 单调:只需验证端点异号。 - 若 $f(x)$ 有极值:需验证 $f(x_{extreme})$ 与 0 的关系。 - 极大值 $<0$ 或 极小值 $>0$ $\rightarrow$ 无零点。 - 极大值 $>0$ 且 极小值 $<0$ $\rightarrow$ 三个零点。 - 极大值 $>0$ 且 极小值 $=0$ $\rightarrow$ 两个零点(一个切点)。 3. 放缩:当极值表达式复杂时,利用 5.4 导数与不等式 中的常见不等式(如 $e^x \ge x+1$)进行放缩,判断极值正负。
参数分离法(转化思想)** **适合:代数变形能力强、喜欢将复杂问题简单化的学生** 1. **变形
将 $f(x)=0$ 变形为 $g(x) = h(x)$ 或 $a = \frac{f(x)}{x}$ 等形式,将参数 $a$ 分离出来。 2. 作图:分别画出 $y=g(x)$ 和 $y=h(x)$(或 $y=a$ 水平线)的图像。 3. 交点:原方程零点个数转化为两曲线交点个数。 4. 分析:利用导数分析 $g(x)$ 的单调性和极值,画出 $g(x)$ 的“山峰”或“山谷”,观察水平线 $y=a$ 穿过图像的次数。 *优势:将“动态”的含参函数零点问题,转化为“静态”的函数图像与直线交点问题,降低了思维难度。*
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练一道
基础题
已知函数 $f(x) = x^3 - 3x + 1$,判断 $f(x)$ 零点的个数,并确定其中一个零点所在的区间(精确到整数)。
变式
已知函数 $f(x) = e^x - ax - 1$ ($a \in \mathbb{R}$)。 (1) 若 $f(x) \ge 0$ 对任意 $x \in \mathbb{R}$ 恒成立,求 $a$ 的值; (2) 讨论 $f(x)$ 零点的个数。
试试手自己判
检测题
已知函数 $f(x) = x^2 - 2x + \ln x$。 (1) 求 $f(x)$ 的单调区间; (2) 判断 $f(x)$ 零点的个数,并说明理由。
看答案和判分标准
答案:(1) 定义域 $(0, +\infty)$。$f'(x) = 2x - 2 + \frac{1}{x} = \frac{2x^2 - 2x + 1}{x}$。 因为 $\Delta = (-2)^2 - 4(2)(1) = 4 - 8 = -4 < 0$,且二次项系数 $2>0$,所以分子 $2x^2 - 2x + 1 > 0$ 恒成立。 又 $x > 0$,所以 $f'(x) > 0$ 恒成立。 故 $f(x)$ 在 $(0, +\infty)$ 上单调递增。 (2) 零点个数:1个。 理由: $f(x)$ 在 $(0, +\infty)$ 上单调递增。 计算特殊点值: $f(1) = 1 - 2 + \ln 1 = -1 < 0$。 当 $x \to +\infty$ 时,$f(x) \to +\infty$(例如取 $x=e^2$,$f(e^2) = e^4 - 2e^2 + 2 > 0$)。 由零点存在性定理,在 $(1, +\infty)$ 内存在唯一零点。 在 $(0, 1]$ 上,$f(x) \le f(1) = -1 < 0$,无零点。 综上,$f(x)$ 有且仅有 1 个零点。
判对标准:
1. 正确求出导数并判断 $f'(x)$ 恒正(得单调性)。(4分)
2. 正确计算 $f(1) < 0$ 并指出 $x \to +\infty$ 时 $f(x) > 0$(或给出一个大于1的正数点函数值为正)。(3分)
3. 结合单调性和零点存在性定理,得出“唯一零点”的结论。(3分)
*若只说“有零点”而未证明“唯一”,扣2分。
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