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例4:二分法求零点

函数零点、函数模型与二次函数 · 高一
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 利用连续函数在区间端点异号特性,通过不断二分区间逼近方程零点的方法。

从哪来 本知识点是高一数学的起始内容,不依赖图谱中记录的前置知识点,直接基于函数连续性与介值定理的直观理解构建。

为什么 核心逻辑基于介值定理的直观推论:如果一条连续不断的曲线从x轴上方穿过到下方(或反之),它必然与x轴有交点。 二分法的原理是“缩小包围圈”:既然零点在 $[a, b]$ 内,取中点 $c$,零点必然在 $[a, c]$ 或 $[c, b]$ 中。通过判断 $f(c)$ 的符号,我们可以排除一半的区间。重复此过程,区间长度减半,零点位置被无限逼近。这体现了“有限次操作逼近无限精确”的极限思想。

适合类型:逻辑严密、喜欢算法流程的学生** **讲法:程序化思维(伪代码式)** 将二分法看作一个查找算法。 1. **输入
区间 $[a, b]$,精度 $\epsilon$。 2. 循环: - 计算中点 $c = (a+b)/2$。 - 判断 $f(c)$ 是否为0?是,结束。 - 判断 $f(a) \cdot f(c) < 0$?是,令 $b=c$;否则,令 $a=c$。 - 判断区间长度 $|b-a| < \epsilon$?是,输出 $c$;否则,回到循环开始。 重点:强调这是一个迭代过程,每次迭代区间长度变为原来的一半,收敛速度是线性的。
适合类型:形象思维强、对抽象符号敏感的学生** **讲法:地理寻宝/温度调节类比** 想象你在调节空调温度,目标温度是24度。 1. 当前显示20度(太低),你调高到26度(太高)。 2. 你知道目标在20和26之间。 3. 你调到中间值23度,发现还是低。 4. 你知道目标在23和26之间。 5. 你调到24.5度,发现高了。 6. 你知道目标在23和24.5之间。 **重点
强调“反馈机制”——每一次尝试(计算中点函数值)都提供了方向性反馈(偏高或偏低),从而排除错误的一半区域。
适合类型:数学基础扎实、喜欢几何直观的学生** **讲法:几何逼近法** 在坐标系中画出 $y=f(x)$ 的图像。 1. 标记点 $A(a, f(a))$ 和 $B(b, f(b))$,它们位于x轴两侧。 2. 连接AB,线段AB与x轴交于某点,这就是零点的粗略估计。 3. 取AB中点 $C$,计算其纵坐标 $f(c)$。 4. 如果 $C$ 在x轴上方,则零点在 $AC$ 段;如果在下方,则在 $CB$ 段。 5. 重复取中点,图像上的点越来越密集地逼近x轴交点。 **重点
强调函数图像的连续性是二分法有效的前提,如果图像断开(不连续),则可能没有零点或零点不唯一,二分法失效。
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练一道
基础题
已知函数 $f(x) = x^3 - 2x - 5$,用二分法求其在区间 $[2, 3]$ 内的零点,精确度要求为 $0.1$。
变式
函数 $f(x) = \ln x + 2x - 6$,用二分法求零点,精确度为 $0.1$。
看解答过程
1. 验证端点:$f(2) = 8 - 4 - 5 = -1 < 0$,$f(3) = 27 - 6 - 5 = 16 > 0$。存在零点。 2. 第一次二分:中点 $x_1 = 2.5$。 $f(2.5) = 15.625 - 5 - 5 = 5.625 > 0$。 零点在 $[2, 2.5]$。 3. 第二次二分:中点 $x_2 = 2.25$。 $f(2.25) = 11.390625 - 4.5 - 5 = 1.890625 > 0$。 零点在 $[2, 2.25]$。 4. 第三次二分:中点 $x_3 = 2.125$。 $f(2.125) = 9.595703125 - 4.25 - 5 = 0.345703125 > 0$。 零点在 $[2, 2.125]$。 5. 第四次二分:中点 $x_4 = 2.0625$。 $f(2.0625) = 8.76708984375 - 4.125 - 5 = -0.35791015625 < 0$。 零点在 $[2.0625, 2.125]$。 6. 检查精度:区间长度 $2.125 - 2.0625 = 0.0625 < 0.1$。 满足精度要求。
试试手自己判
检测题
用二分法求方程 $x^2 - 3 = 0$ 的正根,精确度为 $0.1$。若初始区间为 $[1, 2]$,请列出前两次二分后的区间,并给出最终近似解。
看答案和判分标准
答案:1. $f(1) = -2 < 0$, $f(2) = 1 > 0$。 2. 第一次二分:$x_1 = 1.5$, $f(1.5) = 2.25 - 3 = -0.75 < 0$。 新区间:$[1.5, 2]$。 3. 第二次二分:$x_2 = 1.75$, $f(1.75) = 3.0625 - 3 = 0.0625 > 0$。 新区间:$[1.5, 1.75]$。 4. 区间长度 $0.25 > 0.1$,继续。 5. 第三次二分:$x_3 = 1.625$, $f(1.625) = 2.640625 - 3 = -0.359375 < 0$。 新区间:$[1.625, 1.75]$。 6. 区间长度 $0.125 > 0.1$,继续。 7. 第四次二分:$x_4 = 1.6875$, $f(1.6875) \approx 2.8477 - 3 = -0.1523 < 0$。 新区间:$[1.6875, 1.75]$。 8. 区间长度 $0.0625 < 0.1$,停止。 近似解:$1.7$(取区间中点 $1.71875$ 或保留一位小数 $1.7$)。
判对标准:
- 正确列出前两次二分后的区间 $[1.5, 2]$ 和 $[1.5, 1.75]$。(2分)
- 正确判断停止条件(区间长度小于0.1)。(2分)
- 给出正确的近似解 $1.7$ 或 $1.69$ 左右。(1分)
- 若学生只算到区间长度 $0.125$ 就停止,判错。(0分)
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