‹ 回去

2. 二分法求零点

函数的性质、导数及其应用 · 高三
先确认一下:这一关能不能学
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 利用函数连续性及区间端点异号,通过不断二分区间来逼近方程近似解的方法。

从哪来 它建立在1. 集合的概念与表示之上。二分法的核心操作是不断缩小解所在的区间,即不断确定解所属的集合范围(闭区间),并依据集合的包含关系进行迭代。

为什么 其原理基于介值定理(零点存在性定理):若函数 $f(x)$ 在闭区间 $[a, b]$ 上连续,且 $f(a) \cdot f(b) < 0$,则区间内至少存在一个零点。 二分法的逻辑是:既然零点在 $[a, b]$ 内,取中点 $c$,零点必在 $[a, c]$ 或 $[c, b]$ 中。通过判断 $f(c)$ 的符号,可以排除一半区间。随着区间长度减半,零点被“夹”在越来越小的范围内,从而获得满足精度要求的近似解。这是一种“排除法”与“逼近思想”的结合。

适合:逻辑严密、喜欢算法流程的学生** **讲法:流程图思维** 将二分法看作一个计算机算法。 1. **输入
区间 $[a, b]$,精度 $\epsilon$。 2. 判断:$|a - b| < \epsilon$?是则输出 $(a+b)/2$,结束。 3. 计算:$c = (a+b)/2$。 4. 分支:若 $f(a) \cdot f(c) < 0$,则 $b = c$;否则 $a = c$。 5. 循环:回到步骤2。 强调这种方法的确定性、可重复性和终止条件,类比计算机编程中的 `while` 循环。
讲法
适合:形象思维强、对抽象符号敏感的学生 讲法:猜数字游戏 玩“我想一个 1 到 100 之间的整数,你猜,我只回答‘大了’或‘小了’”。 最优策略不是从 1 开始猜,而是每次猜中间值(如 50)。 - 如果老师说“大了”,说明答案在 $[1, 49]$; - 如果老师说“小了”,说明答案在 $[51, 100]$。 二分法就是数学版的“猜数字”,函数值 $f(x)$ 的正负就是老师给的“大了/小了”提示,目的是用最少的次数锁定目标。
讲法
适合:理解几何直观、喜欢数形结合的学生 讲法:夹逼与缩放 画出函数 $y=f(x)$ 的图像。 1. 找到图像穿过 x 轴的两个点 A 和 B。 2. 取 AB 中点 C,看 C 点在 x 轴上方还是下方。 3. 如果 C 在上方,零点肯定在 C 的左边(假设 A 在左下,B 在右上),于是把右边的部分“剪掉”。 4. 剩下的区间里再取中点,再剪掉一半。 视觉上,图像被不断“挤压”,零点就像被夹在越来越窄的缝隙里,直到缝隙小到可以忽略。
看不明白?看一段视频 ▾待生成
练一道
基础题
已知函数 $f(x) = x^3 - x - 1$,用二分法求其在区间 $[1, 2]$ 上的零点,精确度要求为 $0.1$。
变式
若函数 $f(x)$ 在 $[a, b]$ 上连续,且 $f(a) \cdot f(b) < 0$,但 $f(x)$ 在 $(a, b)$ 内有两个零点 $x_1, x_2$。使用二分法求得的近似解一定是 $x_1$ 或 $x_2$ 吗?为什么?
看解答过程
1. 验证端点:$f(1) = 1 - 1 - 1 = -1 < 0$,$f(2) = 8 - 2 - 1 = 5 > 0$。零点存在。 2. 第一次二分:中点 $x_1 = 1.5$。 $f(1.5) = 3.375 - 1.5 - 1 = 0.875 > 0$。 因为 $f(1) < 0, f(1.5) > 0$,零点在 $[1, 1.5]$。 当前区间长度 $0.5 > 0.1$,继续。 3. 第二次二分:中点 $x_2 = 1.25$。 $f(1.25) = 1.953125 - 1.25 - 1 = -0.296875 < 0$。 因为 $f(1.25) < 0, f(1.5) > 0$,零点在 $[1.25, 1.5]$。 当前区间长度 $0.25 > 0.1$,继续。 4. 第三次二分:中点 $x_3 = 1.375$。 $f(1.375) \approx 2.60 - 1.375 - 1 = 0.225 > 0$。 因为 $f(1.25) < 0, f(1.375) > 0$,零点在 $[1.25, 1.375]$。 当前区间长度 $0.125 > 0.1$,继续。 5. 第四次二分:中点 $x_4 = 1.3125$。 此时区间 $[1.25, 1.375]$ 的长度为 $0.125$,中点为 $1.3125$。 通常当区间长度小于精度 $\epsilon$ 时,取区间中点或端点作为近似解。 此时区间 $[1.25, 1.375]$ 长度为 $0.125$,仍略大于 $0.1$。 再取中点 $1.3125$,若 $f(1.3125) < 0$,则区间变为 $[1.3125, 1.375]$,长度 $0.0625 < 0.1$。 满足精度要求。 近似解可取为 $1.31$ 或 $1.32$(取决于具体舍入规则,通常取区间内任意值或中点)。 结论:零点近似值为 $1.31$(保留两位小数)。
试试手自己判
检测题
用二分法求方程 $2^x + 3x - 7 = 0$ 的近似解,取初始区间 $[1, 2]$,精度 $\epsilon = 0.1$。 (1) 第一次二分后,新的区间是什么? (2) 第二次二分后,新的区间是什么? (3) 此时是否满足精度要求?若满足,给出一个近似解。
看答案和判分标准
答案:1. 第一次二分: - $f(1) = 2 + 3 - 7 = -2 < 0$ - $f(2) = 4 + 6 - 7 = 3 > 0$ - 中点 $x_1 = 1.5$ - $f(1.5) = 2^{1.5} + 4.5 - 7 = 2\sqrt{2} - 2.5 \approx 2.828 - 2.5 = 0.328 > 0$ - 因为 $f(1) < 0, f(1.5) > 0$,新区间为 $[1, 1.5]$。 - *判对标准*:区间正确,计算 $f(1.5)$ 符号正确。 2. 第二次二分: - 当前区间 $[1, 1.5]$ - 中点 $x_2 = 1.25$ - $f(1.25) = 2^{1.25} + 3.75 - 7 = 2^{5/4} - 3.25 \approx 2.378 - 3.25 = -0.872 < 0$ - 因为 $f(1.25) < 0, f(1.5) > 0$,新区间为 $[1.25, 1.5]$。 - *判对标准*:区间正确,计算 $f(1.25)$ 符号正确。 3. 精度判断: - 当前区间长度 $1.5 - 1.25 = 0.25$。 - $0.25 > 0.1$,不满足精度要求。 - *判对标准*:明确指出不满足,并计算区间长度。 *(注:若题目要求继续直到满足,则需第三次二分:中点 1.375,$f(1.375) \approx 2.59 - 4.125 < 0$,区间 $[1.375, 1.5]$,长度 $0.125 > 0.1$,仍不满足。第四次:中点 1.4375,$f(1.4375) \approx 2.70 - 4.3125 < 0$,区间 $[1.4375, 1.5]$,长度 $0.0625 < 0.1$,满足。近似解可取 1.44。)* **本题仅问前两步及当前状态,故答案为:不满足。
容易错在哪儿 ▾点开看
这一步没懂?写一句问老师 ›
内容由卡片自动生成 · 有不对的地方告诉老师
这张卡有问题?告诉老师 ›