
函數(shù)與導(dǎo)數(shù)一直是高考中的熱點(diǎn)與難點(diǎn),函數(shù)的零點(diǎn)個(gè)數(shù)問題、隱零點(diǎn)及零點(diǎn)賦值問題是近年高考的熱點(diǎn)及難點(diǎn),特別是隱零點(diǎn)及零點(diǎn)賦值經(jīng)常成為導(dǎo)數(shù)壓軸的法寶.
二、解題秘籍
(一) 確定函數(shù)零點(diǎn)個(gè)數(shù)
1.研究函數(shù)零點(diǎn)的技巧
用導(dǎo)數(shù)研究函數(shù)的零點(diǎn),一方面用導(dǎo)數(shù)判斷函數(shù)的單調(diào)性,借助零點(diǎn)存在性定理判斷;另一方面,也可將零點(diǎn)問題轉(zhuǎn)化為函數(shù)圖象的交點(diǎn)問題,利用數(shù)形結(jié)合來解決.對(duì)于函數(shù)零點(diǎn)個(gè)數(shù)問題,可利用函數(shù)的值域或最值,結(jié)合函數(shù)的單調(diào)性、草圖確定其中參數(shù)范圍.從圖象的最高點(diǎn)、最低點(diǎn),分析函數(shù)的最值、極值;從圖象的對(duì)稱性,分析函數(shù)的奇偶性;從圖象的走向趨勢(shì),分析函數(shù)的單調(diào)性、周期性等.但需注意探求與論證之間區(qū)別,論證是充要關(guān)系,要充分利用零點(diǎn)存在定理及函數(shù)單調(diào)性嚴(yán)格說明函數(shù)零點(diǎn)個(gè)數(shù).
2. 判斷函數(shù)零點(diǎn)個(gè)數(shù)的常用方法
(1)直接研究函數(shù),求出極值以及最值,畫出草圖.函數(shù)零點(diǎn)的個(gè)數(shù)問題即是函數(shù)圖象與x軸交點(diǎn)的個(gè)數(shù)問題.
(2)分離出參數(shù),轉(zhuǎn)化為a=g(x),根據(jù)導(dǎo)數(shù)的知識(shí)求出函數(shù)g(x)在某區(qū)間的單調(diào)性,求出極值以及最值,畫出草圖.函數(shù)零點(diǎn)的個(gè)數(shù)問題即是直線y=a與函數(shù)y=g(x)圖象交點(diǎn)的個(gè)數(shù)問題.只需要用a與函數(shù)g(x)的極值和最值進(jìn)行比較即可.
3. 處理函數(shù)y=f(x)與y=g(x)圖像的交點(diǎn)問題的常用方法
(1)數(shù)形結(jié)合,即分別作出兩函數(shù)的圖像,觀察交點(diǎn)情況;
(2)將函數(shù)交點(diǎn)問題轉(zhuǎn)化為方程f(x)=g(x)根的個(gè)數(shù)問題,也通過構(gòu)造函數(shù)y=f(x)-g(x),把交點(diǎn)個(gè)數(shù)問題轉(zhuǎn)化為利用導(dǎo)數(shù)研究函數(shù)的單調(diào)性及極值,并作出草圖,根據(jù)草圖確定根的情況.
4.找點(diǎn)時(shí)若函數(shù)有多項(xiàng)有時(shí)可以通過恒等變形或放縮進(jìn)行并項(xiàng),有時(shí)有界函數(shù)可以放縮成常數(shù),構(gòu)造函數(shù)時(shí)合理分離參數(shù),避開分母為0的情況.
【例1】(2023屆廣東省羅定中學(xué)高三上學(xué)期調(diào)研)已知函數(shù),其中.
(1)求函數(shù)的單調(diào)區(qū)間;
(2)討論函數(shù)零點(diǎn)的個(gè)數(shù);
【解析】(1)由題意知:定義域?yàn)椋?br>令,解得:,,又,
當(dāng)時(shí),;當(dāng)時(shí),;
的單調(diào)遞增區(qū)間為,;單調(diào)遞減區(qū)間為.
(2)取,則當(dāng)時(shí),,,,
;
,由(1)知:在上單調(diào)遞增,
當(dāng)時(shí),,即在上無零點(diǎn);
下面討論的情況:
①當(dāng)時(shí),在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增,
,
又,,
在和上各存在一個(gè)零點(diǎn),即有兩個(gè)不同零點(diǎn);
②當(dāng)時(shí),在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增,又,
有唯一零點(diǎn);
③當(dāng)時(shí),在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增,
,無零點(diǎn);
綜上所述:當(dāng)時(shí),有兩個(gè)不同零點(diǎn);當(dāng)時(shí),有且僅有一個(gè)零點(diǎn);當(dāng)時(shí),無零點(diǎn).
(二) 根據(jù)函數(shù)零點(diǎn)個(gè)數(shù)確定參數(shù)范圍
根據(jù)函數(shù)零點(diǎn)個(gè)數(shù)確定參數(shù)范圍的兩種方法
1.直接法:根據(jù)零點(diǎn)個(gè)數(shù)求參數(shù)范圍,通常先確定函數(shù)的單調(diào)性,根據(jù)單調(diào)性寫出極值及相關(guān)端點(diǎn)值的范圍,然后根據(jù)極值及端點(diǎn)值的正負(fù)建立不等式或不等式組求參數(shù)范圍;
2.分離參數(shù)法:首先分離出參數(shù),然后利用求導(dǎo)的方法求出構(gòu)造的新函數(shù)的最值,根據(jù)題設(shè)條件構(gòu)建關(guān)于參數(shù)的不等式,再通過解不等式確定參數(shù)范圍,分離參數(shù)法適用條件:(1)參數(shù)能夠分類出來;(2)分離以后構(gòu)造的新函數(shù),性質(zhì)比較容易確定.
【例2】(2023屆四川省成都市高三全真模擬)已知函數(shù),.
(1)若函數(shù)在處的切線的斜率為,求實(shí)數(shù)a的值(e是自然對(duì)數(shù)的底數(shù));
(2)若函數(shù)有且僅有兩個(gè)零點(diǎn),求實(shí)數(shù)a的取值范圍.
【解析】(1)因?yàn)?,定義域?yàn)椋剩?br>則,即,
即,
令,則,
又因?yàn)樵谏蠁握{(diào)遞增,且當(dāng)時(shí),,
所以,即,.
(2)因?yàn)楹瘮?shù)有且僅有兩個(gè)零點(diǎn),
所以有且僅有兩個(gè)大于1的實(shí)數(shù)根,
又,則,
即,
令,則,
由,得,當(dāng)時(shí),,當(dāng)時(shí),,
所以在上單調(diào)遞減且,
在上單調(diào)遞增且時(shí),
又,,則,則,
即得,
所以,即,
令,則,
當(dāng)時(shí),,當(dāng)時(shí),,
所以函數(shù)在上單調(diào)遞增,在上單調(diào)遞減,,
當(dāng)時(shí),,且無限趨近于0,
所以,故實(shí)數(shù)a的取值范圍為.
(三)零點(diǎn)存在性賦值理論及應(yīng)用
1.確定零點(diǎn)是否存在或函數(shù)有幾個(gè)零點(diǎn),作為客觀題常轉(zhuǎn)化為圖象交點(diǎn)問題,作為解答題一般不提倡利用圖象求解,而是利用函數(shù)單調(diào)性及零點(diǎn)賦值理論.函數(shù)賦值是近年高考的一個(gè)熱點(diǎn), 賦值之所以“熱”, 是因?yàn)樗婕暗胶瘮?shù)領(lǐng)域的方方面面:討論函數(shù)零點(diǎn)的個(gè)數(shù)(包括零點(diǎn)的存在性, 唯一性); 求含參函數(shù)的極值或最值; 證明一類超越不等式; 求解某些特殊的超越方程或超越不等式以及各種題型中的參數(shù)取值范圍等,零點(diǎn)賦值基本模式是已知 f (a) 的符號(hào),探求賦值點(diǎn) m (假定 m ? a )使得 f (m) 與 f (a) 異號(hào),則在 (m,a) 上存在零點(diǎn).
2.賦值點(diǎn)遴選要領(lǐng):遴選賦值點(diǎn)須做到三個(gè)確保:確保參數(shù)能取到它的一切值; 確保賦值點(diǎn) x0 落在規(guī)定區(qū)間內(nèi);確保運(yùn)算可行
三個(gè)優(yōu)先:(1)優(yōu)先常數(shù)賦值點(diǎn);(2)優(yōu)先借助已有極值求賦值點(diǎn);(3)優(yōu)先簡(jiǎn)單運(yùn)算.
3.有時(shí)賦值點(diǎn)無法確定,可以先對(duì)解析式進(jìn)行放縮,再根據(jù)不等式的解確定賦值點(diǎn)(見例2解法),放縮法的難度在于“度”的掌握,難度比較大.
【例3】(2024屆北京市新高三入學(xué)定位考試)已知函數(shù),曲線在的切線為.
(1)求a,b的值;
(2)求證:函數(shù)在區(qū)間上單調(diào)遞增;
(3)求函數(shù)的零點(diǎn)個(gè)數(shù),并說明理由.
【解析】(1),則有,解得,,則.
(2)由(1)知,,
設(shè),因?yàn)樵谏蠁握{(diào)遞增,
則,所以在上恒成立,
所以函數(shù)在區(qū)間上單調(diào)遞增.
(3)因?yàn)椋睿?br>令,得,設(shè),
由(2)知在上單調(diào)遞增,且,,
故存在唯一零點(diǎn)使得,
即存在唯一零點(diǎn)滿足,即得,則,
且當(dāng)時(shí),,此時(shí)單調(diào)遞減,
當(dāng)時(shí),,此時(shí)單調(diào)遞增,
所以
,
當(dāng)時(shí),,,
則,
則函數(shù)的零點(diǎn)個(gè)數(shù)為0.
(四)隱零點(diǎn)問題
1.函數(shù)零點(diǎn)按是否可求精確解可以分為兩類:一類是數(shù)值上能精確求解的,稱之為“顯零點(diǎn)”;另一類是能夠判斷其存在但無法直接表示的,稱之為“隱零點(diǎn)”.
2.利用導(dǎo)數(shù)求函數(shù)的最值或單調(diào)區(qū)間,常常會(huì)把最值問題轉(zhuǎn)化為求導(dǎo)函數(shù)的零點(diǎn)問題,若導(dǎo)數(shù)零點(diǎn)存在,但無法求出,我們可以設(shè)其為,再利用導(dǎo)函數(shù)的單調(diào)性確定所在區(qū)間,最后根據(jù),研究,我們把這類問題稱為隱零點(diǎn)問題. 注意若中含有參數(shù)a,關(guān)系式是關(guān)于的關(guān)系式,確定的合適范圍,往往和的范圍有關(guān).
【例4】(2024屆寧夏吳忠市高三上學(xué)期月考)已知函數(shù)在處的切線與直線:垂直.
(1)求的單調(diào)區(qū)間;
(2)若對(duì)任意實(shí)數(shù),恒成立,求整數(shù)的最大值.
【解析】(1)由,得,又切線與直線:垂直,所以,即.
所以,令,得,
當(dāng)時(shí),,單調(diào)遞減;
當(dāng)時(shí),,單調(diào)遞增.
所以的單調(diào)遞減區(qū)間為,單調(diào)遞增區(qū)間為.
(2)對(duì)任意實(shí)數(shù),恒成立,
即對(duì)任意實(shí)數(shù)恒成立.
設(shè),即.
,令,
所以恒成立,所以在上單調(diào)遞增.
又,,所以存在,使得,
即,所以.
當(dāng)時(shí),,單調(diào)遞減;當(dāng)時(shí),,單調(diào)遞增.
所以
,
當(dāng)時(shí),,
所以,由題意知且
所以,即整數(shù)的最大值為1.
三、典例展示
【例1】(2022高考全國(guó)卷乙理)已知函數(shù)
(1)當(dāng)時(shí),求曲線在點(diǎn)處的切線方程;
(2)若在區(qū)間各恰有一個(gè)零點(diǎn),求a取值范圍.
【解析】(1)當(dāng)時(shí),,所以切點(diǎn)為,
,所以切線斜率為2
所以曲線在點(diǎn)處的切線方程為.
(2),,
設(shè)
若,當(dāng),即
所以在上單調(diào)遞增,
故在上沒有零點(diǎn),不合題意,
若,當(dāng)時(shí),
所以在上單調(diào)遞增,所以,即
所以在上單調(diào)遞增,,
故在上沒有零點(diǎn),不合題意.
若,
(1)當(dāng),則,所以在上單調(diào)遞增,
,
所以存在,使得,即.
當(dāng)單調(diào)遞減,當(dāng)單調(diào)遞增,
所以當(dāng),當(dāng),
所以在上有唯一零點(diǎn),
又在沒有零點(diǎn),即在上有唯一零點(diǎn),
(2)當(dāng),,設(shè),
則,所以在上單調(diào)遞增,
,所以存,使得
當(dāng)單調(diào)遞減
當(dāng)單調(diào)遞增,,
又,所以存在,使得,即
當(dāng)單調(diào)遞增,當(dāng)單調(diào)遞減
有
而,所以當(dāng),
所以在上有唯一零點(diǎn),上無零點(diǎn),
即在上有唯一零點(diǎn),
所以,符合題意,
綜上得在區(qū)間各恰有一個(gè)零點(diǎn),的取值范圍為.
【例2】(2023屆江西省臨川高三上學(xué)期期中)已知函數(shù),其中為自然對(duì)數(shù)的底數(shù).
(1)討論函數(shù)的單調(diào)性,
(2)若,當(dāng)時(shí),恒成立時(shí),求的最大值.(參考數(shù)據(jù):)
【解析】(1)由可得.
當(dāng)時(shí),恒成立,在單調(diào)遞增;
當(dāng)時(shí),令得,所以在單調(diào)遞減,在單調(diào)遞增;
綜上所述,當(dāng)時(shí),在單調(diào)遞增;當(dāng)時(shí),在單調(diào)遞減,在單調(diào)遞增.
(2)當(dāng)時(shí),成立,當(dāng)時(shí),恒成立即,
設(shè),則,
令,則,
設(shè),
當(dāng)時(shí),,故;當(dāng)時(shí),,故,
綜上有,故,故為增函數(shù),
又,
因?yàn)?,故?br>所以,
故存在唯一零點(diǎn)使得,
故當(dāng)時(shí)單調(diào)遞減當(dāng)時(shí),,單調(diào)遞增,故,
又,
即,
所以
設(shè),則,故為增函數(shù),
又,所以,
所以,故要且為正整數(shù)則的最大值為3.
【例3】(2023屆福建省寧德市高三高考前最后一卷)已知函數(shù).
(1)討論函數(shù)的零點(diǎn)的個(gè)數(shù)﹔
(2)當(dāng)時(shí),若對(duì)任意,恒有,求實(shí)數(shù)a的取值范圍.
【解析】(1)令則,
記,則,
當(dāng)時(shí),,此時(shí)在單調(diào)遞減,
當(dāng)時(shí),,此時(shí)在單調(diào)遞增,
故當(dāng)時(shí),取極大值也是最大值,
又,而當(dāng)時(shí),,故當(dāng)時(shí),,當(dāng)時(shí), ,作出的圖象如下:
因此當(dāng)時(shí),即,無交點(diǎn),此時(shí)無零點(diǎn),
當(dāng)或時(shí),即或,有一個(gè)交點(diǎn),此時(shí)有一個(gè)零點(diǎn),
當(dāng)時(shí),即,有兩個(gè)交點(diǎn),此時(shí)有2個(gè)零點(diǎn),
綜上可知:當(dāng)時(shí), 無零點(diǎn),
當(dāng)或有一個(gè)零點(diǎn),
當(dāng),有2個(gè)零點(diǎn),
(2)當(dāng)時(shí),若對(duì)任意,恒有等價(jià)于:
對(duì)任意,恒有,
令,則不等式等價(jià)于,
由于,
令,
當(dāng)單調(diào)遞減,當(dāng)單調(diào)遞增,所以,故在單調(diào)遞增,
由得對(duì)任意恒成立,
兩邊取對(duì)數(shù)得對(duì)任意恒成立,
故,所以
故的范圍為
【例4】已知函數(shù)的最小值為.
(1)求的值;
(2)已知,,在上恒成立,求的最大值.(參考數(shù)據(jù):,)
【解析】 (1)由題可知.令,解得;
令,解得.
所以在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增,
所以,解得.
(2)由可得對(duì)恒成立.
令,則,令,
則
因?yàn)樵谏蠁握{(diào)遞增,,,
且的圖象在上不間斷,所以存在,使得,
即,則.
所以當(dāng)時(shí),單調(diào)遞減;當(dāng)時(shí),單調(diào)遞增.
則的最小值為,,
由對(duì)勾函數(shù)性質(zhì)得,,
所以,
所以,即在區(qū)間上單調(diào)遞增,
所以.
所以存在整數(shù)滿足題意,且整數(shù)的最大值為.
【例5】(2023屆云南省保山市高三聯(lián)考)已知函數(shù).
(1)討論函數(shù)的單調(diào)性;
(2)若,函數(shù)在上恒成立,求整數(shù)a的最大值.
【解析】(1)根據(jù)題意可得,
若,在上恒成立,此時(shí)函數(shù)在上單調(diào)遞增;
若,此時(shí),
當(dāng)時(shí),滿足,此時(shí)函數(shù)在,上單調(diào)遞增;
當(dāng)時(shí),滿足,此時(shí)函數(shù)在單調(diào)遞減;
若,此時(shí),
當(dāng)時(shí),滿足,此時(shí)函數(shù)在,上單調(diào)遞增,
當(dāng)時(shí),滿足,此時(shí)函數(shù)在單調(diào)遞減;
綜上可知,時(shí),在上單調(diào)遞增;
時(shí),在和上單調(diào)遞增,在單調(diào)遞減;
時(shí),在和上單調(diào)遞增,在單調(diào)遞減;
(2)由可得,解得;
所以,則,
易知時(shí),,
若函數(shù)在上恒成立,等價(jià)成在上恒成立;
令,則;
令,則在上恒成立,
即函數(shù)在上單調(diào)遞增,
易知,由于,所以,
而,且,所以;
因此在有且僅有一個(gè)零點(diǎn),滿足,且;
所以當(dāng)時(shí),,當(dāng)時(shí),;
因此函數(shù)在上單調(diào)遞減,在上單調(diào)遞增;
所以的最小值為,顯然,
因此,又是整數(shù),
所以的最大值為4.
四、跟蹤檢測(cè)
1.(2023屆云南省保山市高三上學(xué)期期末質(zhì)量監(jiān)測(cè))已知函數(shù).
(1)當(dāng)時(shí),求曲線在點(diǎn)處的切線方程;
(2)當(dāng)時(shí),恒成立,求實(shí)數(shù)的取值范圍.
2.(2023屆四川省高三診斷性檢測(cè))已知函數(shù).
(1)求的單調(diào)區(qū)間;
(2)令(a為常數(shù)),若有兩個(gè)零點(diǎn),求實(shí)數(shù)a的取值范圍.
3.(2024屆廣東省揭陽市高三上學(xué)期開學(xué)考試)已知函數(shù).
(1)當(dāng)時(shí),證明:;
(2)若關(guān)于的不等式恒成立,求整數(shù)的最小值.
4.(2023屆黑龍江省哈爾濱市高三月考)設(shè)函數(shù)
(1)若,,求曲線在點(diǎn)處的切線方程;
(2)若,不等式對(duì)任意恒成立,求整數(shù)k的最大值.
5.(2023屆江蘇省連云港市高三學(xué)情檢測(cè))已知函數(shù).
(1)判斷函數(shù)零點(diǎn)的個(gè)數(shù),并證明;
(2)證明:.
6.(2024屆廣東省深圳市羅湖區(qū)部分學(xué)校高三上學(xué)期開學(xué)模擬)已知函數(shù)R.
(1)討論的單調(diào)性;
(2)當(dāng)時(shí),若關(guān)于x的不等式恒成立,求實(shí)數(shù)m的取值范圍.
7.(2024屆山西省朔州市懷仁市第一中學(xué)校等學(xué)校2高三上學(xué)期摸底)已知函數(shù)(,e為自然對(duì)數(shù)的底數(shù)).
(1)討論函數(shù)的單調(diào)性;
(2)若函數(shù)有且僅有3個(gè)零點(diǎn),求實(shí)數(shù)a的取值范圍.
8.(2023屆云南省高三“云教金榜”N 1沖刺測(cè)試)設(shè)函數(shù),.
(1)當(dāng)時(shí),求的單調(diào)區(qū)間;
(2)若,求實(shí)數(shù)的取值范圍.
9.(2024屆云南省三校高三高考備考實(shí)用性聯(lián)考)已知.
(1)當(dāng)時(shí),求函數(shù)的單調(diào)區(qū)間;
(2)當(dāng)時(shí),證明:函數(shù)有且僅有一個(gè)零點(diǎn).
10.(2023屆河南省安陽市高三上學(xué)期名校調(diào)研摸底)已知函數(shù),其中,且.
(1)當(dāng)時(shí),求的單調(diào)區(qū)間;
(2)若只有一個(gè)零點(diǎn),求的取值范圍.
11.(2023屆三省三校高三第一次聯(lián)考)已知函數(shù).
(1)討論的單調(diào)性;
(2)若,設(shè)在上的最小值為,求證: .
12..
(1)求的零點(diǎn)個(gè)數(shù);
(2)使不等式對(duì)任意恒成立時(shí)最大的k記為c,求當(dāng)時(shí),的取值范圍.
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