【高考数学兵法】导数压轴,函数零点,关门捉贼

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【高考数学兵法】导数压轴,函数零点,关门捉贼

2023-03-21 14:19| 来源: 网络整理| 查看: 265

高考数学压轴题,公认的导数难点之一就是函数的零点问题!其中,零点的个数问题,常规解题路径是:求导→讨论每个单调区间有否零点→合并零点个数.是这样吗???我们今天谈谈兵法——关门捉贼。零点的个数问题

一般而言,解决函数的零点问题,通常研究函数的单调性,研究每一个单调区间.

如果单调区间的端点就是零点,那么该单调区间的零点确定.

如果单调区间的两个端点的函数值非零,根据零点存在性定理,若两个端点的函数值异号,则该区间上有唯一零点,若两个端点的函数值同号,则该区间上没有零点.

将所有单调区间上的零点汇总,就得到函数的所有零点.

将所有单调区间上的零点个数汇总,就得到函数所有零点的个数.

如果只求零点的个数,有必要严格地逐个单调区间讨论吗?

我们来看下面的例题:

例题

已知函数f (x)=eˣ-1- \sqrt{x} -x,其中e是自然对数的底数,e=2.71828….

(1)证明:函数f (x)在区间(1, 2)上有零点;

(2)求函数f (x)的零点个数,并说明理由.

(1)证明:由题意,f (1)=e-30,

所以f (1)·f (2)0,

因此g (x)即f ′ (x)在(0,+∞)上单调递增,

所以 f ′ (x)在[0,+∞)上至多有一个零点,

所以 f (x)在[0,+∞)上至多有两个单调区间,

所以 f (x)在[0,+∞)上至多有两个零点.

所以 f (x)在[0,+∞)上有且只有两个零点.

点评

前述解题过程中,一方面,由第一问的铺垫,在(1, 2)上至少有一个零点(注意:在对区间(1, 2)的单调性讨论之前,还不能确定(1, 2)上“只有一个”零点),通过观察,发现0也是一个零点,于是,f (x)在定义域上,至少有两个零点.

另一方面,通过对f (x)的导函数的研究,发现导函数在其定义域上是整体单调的.这一点除了可以通过求二阶导来进行判断,也可以直接从导函数f ′ (x)的组成部分来看,显然第一部分指数函数eˣ,在(0,+∞)上是单调递增的,第二部分是一个负指数幂,在(0,+∞)上是单调递减的,前者减后者,再加上一个常数-1,当然在定义域上是单调递增的.既然导函数在其定义域上是整体单调的,那么导函数至多有一个零点,原函数f (x)至多有两个单调区间.又因为每个单调区间至多有一个零点,所以f (x)至多有两个零点.

综合这两个方面的结论,f (x)在定义域上,至少有两个零点,同时,至多有两个零点,那么,f (x)在定义域上,有且只有两个零点.

回顾

回顾一下,第一问中,我们并不需要讨论f (x)在区间(1,2)上的单调性,仅仅通过零点存在定理,得到零点存在,至少有一个.

接下来,通过对导函数的研究,我们也没有必要计算导函数的变号零点的具体数值,事实上,f ′ (x)=0是一个含有指数运算的超越方程,没有有理根,我们还要设“隐零点”,然后还要讨论这个变号零点,也就是原函数f (x)的极值点,其函数值(极值)的正负,用来决定在极值点两侧的单调区间是否存在零点,blabla.如此,道阻且长……

我们发现,导函数是一个整体单调的,我们可以从整体上定性判断,导函数至多有一个零点,原函数f (x)至多有两个单调区间,原函数f (x)至多有两个零点

这样,我们判断出零点不超过两个,然后又找到了两个,问题就解决了.

兵法

《孙子兵法》,混战计,总第二十二计,关门捉贼

思考我们的解题过程:我们先关门,通过分析知晓,贼人(零点)不超过两个,然后捉贼(找零点),找到了两个,问题解决.

总结

事实上,数学解题,就是寻找解决问题的思维与策略.本质上,与打仗兵法、下棋谋略、竞技运动(如足球的排兵布阵与战略战术)等,是相通的、可借鉴的.

再比如:

高考数学兵法:善阵者不战,善战者不败(如何设元,主元辅元过程元),专题文章,视频讲解.

高考数学兵法:一将闯五关,多路包围圈(如何设元,设元的个数问题),专题文章,视频讲解.

高考数学与世界杯:中路突破,两翼包抄(倒序相加法神级大招),专题文章,视频讲解(上)、(下).

事实上,学好数学,关键在于是否掌握迁移能力知识的迁移方法的迁移思维和策略的迁移。凡优秀者,概莫如是!

金榜题名计划

2023高考在即,为助力考生压轴题突破,全线攻克圆锥曲线、导数、数列三大难点,包括:

不等式恒成立,函数零点问题,函数同构问题,对数均值不等式,极值点与拐点偏移,……数列不等式求和,数列奇偶分项,双数列问题,数列性质综合,……解析几何运算降级,定点定直线,范围与最值,存在与证明,……

以及,解题策略顶层思维,数学思想融会贯通,各区一模难点串讲,各区二模难点串讲。

我将在知乎文章,陆续选取一部分发表,供考生阅读、提高。

全系内容,欢迎目标C9、数学目标145+的考生与我进一步交流。

顺祝各位考生,学习精进,金榜提名!



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