例谈含参数函数的零点个数问题

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  摘 要:函数的零点问题是高考常考的内容之一,更是学生的难点。函数零点问题就是对应方程的根的问题,若求函数零点的个数,一般要将函数零点转化为方程的解,再由方程的解转化为两个新函数图像的交点。
  关键词:函数的零点;方程的解;图像交点;导数
  关于函数零点个数的讨论是高考数学的重要内容之一,函数零点问题就是对应方程的根的问题,若求函数零点的个数,一般要将函数零点转化为方程的解,再由方程的解转化为两个新函数的图像的交点,掌握函数零点个数问题的解决方法,对于解决这类题目有一定的帮助,本文将从一道题(临夏中学高三年级2018~2019学年度第一学期期中考试理科卷21题)出发,给出两种解法,通过分析比较得出最容易掌握的方法。
  题目:已知函数f(x)=2a2lnx-x2(a>0)。(1)当a=1时,求曲线f(x)在点(1,f(1))处的切线方程;(2)求函数f(x)的单调区;(3)讨论函数f(x)在区间(1,e2)上零点的个数(e≈2.718…)。
  解法一:(1)略 (2)∵f(x)=2a2lnx-x2(a>0),f′(x)=(2a2-2x2)/x。∵x>0,a>0,∴当00,当x>a时,f′(x)<0,∴f(x)在(0,a)上是增函数,在(a, ∞)上是减函数。
  (3)由(2)得f(x)max=f(a)=a2(2lna-1)
  ①当a2(2lna-1)<0,即0  ②当a2(2lna-1)=0,即a=e时,函数f(x)在(0, ∞)上有唯一零点,而1  ③当a2(2lna-1)>0,即a>e时,由于f(1)<0,f(a)>0,f(e2)=(2a-e2)(2a e2);当2a-e2<0,即ee时,f(e)>0,f(1)=-1<0,由函数的单调性知,f(x)在(1,e)内有唯一的一个零点,在(e,e2)内没有零点,从而f(x)在(1,e2)内只有一个零点。
  综上所述,当o  解法二:(1)(2)略 (3)求函数f(x)在(1,e2)上零点个数求方程f(x)=0(2a2lnx-x2=0)在(1,e2)上根的个数求函数y=2a2(a>0)与y=x2/lnx图像交点的问题。
  令g(x)=x2/lnx,则g′(x)=x(2lnx-1)/(lnx)2,令g′(x)=0,得x=e。
  当x→1时,lnx→0,g(x)=x2/lnx→ ∞;当x=e2时,g(e2)=e4/2;当x=e时,g(e)=2e,
  x(1,e)e(e,e2)
  g′(x)-0
  g(x)极小值
  当2a2=2e或2a2≥e4/2时,函数y=2a2(a>0)与y=x2/lnx图像有1个交点;当2a2∈(2e,e4/2)时,函数y=2a2(a>0)与y=x2/lnx的图像有2个交点;当2a2∈(0,2e)时,函数y=2a2(a>0)与y=x2/lnx的图像有0个交点;
  综上所述,当a=e或a∈[e2/2, ∞)时,函数y=2a2lnx-x2有1个零点;当a∈(e,e2/2)時,函数y=2a2lnx-x2有2个零点;当a∈(0,e)时,函数y=2a2lnx-x2无零点。
  解法二的解题回顾
  1. 转化的思想。解法二将求函数零点的问题转化为求方程根的问题,进而转化为一个常函数与一个不含参数的函数图像的交点问题,接下来的解题过程就变成画函数图像的问题。
  2. 在画函数g(x)图像时,在考虑开区间的端点处时用了逼近的思想。
  3. 数形结合,直观判断。根据参数范围确定两个函数图像的交点个数,进而确定函数的零点个数。
  比较分析
  本文中的题目,解法一和解法二都用了导数来研究图像,都用了数形结合的思想,不同在于,解法一研究的是原函数图像,而原函数解析式含有参数,故需对参数a进行分类讨论,再次对极大值进行分类讨论,分类过程中还要对端点进行分类,对于学生来说,难度是超高难度。本文给出的解法二,将求函数零点的问题转化为求方程的根的问题,进而转化为一个常函数与一个不含参数的函数图像的交点问题,接下来的解题过程就变成画函数图像的问题了,是一道中等难度的题,所以易看到解法二在很大程度上降低了这道题的难度。
  解法二中,在画函数g(x)图像时,用了逼近的思想,虽然极限是高中的超纲内容,但是罗增儒教授在《高考数学万能解题法》一书中,提到对于学有余力的同学,应把课程标准和考试大纲作为学习的最低要求,而超越课程标准和考试大纲是一个理性的选择。著名教育家B.A.苏霍姆林斯基曾经指出:“如果教师引导最有才能的学生超出教学大纲的范围,那么集体的智力生活就会变得丰富多彩,从而影响最差的学生也不敢落后。”
  高考解题需要我们迅速解决“从何处下手,向何方前进”这两个基本问题,临场上的思维策略因时间的限制主要靠模式识别,而解法二恰是解决函数零点个数最常规的思维模式。
  结束语
  本文给出的解法二是在常规的思维模式下,结合逼近的极限思想画图,数形结合,对题目展开,通过解法一和解法二的比较分析,易得解法二在很大程度上降低了这道题的难度,不但解决了这个问题,而且更有助于培养学生的解题能力。
  参考文献:
  [1]中学数学教材实验研究组.普通高中课程标准试验教科书[M].北京:人民教育出版社,2008.
  [2]何方顺.例谈函数零点问题[J].基础教育论坛,2012(4):34.
  [3]罗增儒,孟祥礼.高考数学万能解题法[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2015.
  作者简介:
  侯斐斐,甘肃省临夏回族自治州,甘肃临夏中学。
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