零点和极值点


前言

虽说零点和极值点都叫点,但是她们和我们平常所说的点\(A(1,2)\)是不一样的,零点和极值点其实都是实数;同类:截距不是距离;

两者区别

零点:是针对函数\(f(x)\)而言的,意思是使得\(f(x)=0\)\(x\)的取值;

比如二次函数\(f(x)=x^2-3x+2\),由于\(f(x)=x^2-3x+2=0\),解得\(x=1\)或者\(x=2\),故其零点为\(x=1\)\(x=2\),有两个零点。也就是说零点其实是函数\(y=f(x)\)图像与直线\(y=0\)交点的横坐标。她又可以分为变号零点和不变号零点。比如函数\(f(x)=(x-4)^2\)的零点为\(x=4\),这个零点就是不变号零点;而刚才\(f(x)=x^2-3x+2\)的两个零点\(x=1\)\(x=2\)就叫变号零点,

注意:上图中的三个函数都是原函数\(f(x)\)的图像,而不是导函数\(f'(x)\)的图像;

常用的转化关系:涉及数形结合的思想方法。

函数\(y=f(x)\)\(n\)个零点 \(\Longleftrightarrow\)

方程\(f(x)=0\)\(n\)个不同的根 \(\Longleftrightarrow\)

两个函数图像\(y=f(x)\)\(y=0\)\(n\)个不同的交点[穿根交点和相切交点都算数],

极值点:也是针对函数\(f(x)\)而言的,但她与函数\(f(x)\)和导函数\(f'(x)\)都有关,极值点是导函数的零点;

比如\(x_0\)为函数\(f(x)\)的极值点,则求极值时必须计算\(f(x_0)\)而不是\(f'(x_0)\),而\(x_0\)要成为极值点,则首先必须满足\(f'(x_0)=0\)且导函数在\(x_0\)的左右的函数值必须异号;

常用的转化关系:函数\(y=f(x)\)\(n\)个极值点 \(\Longleftrightarrow\) 函数\(y=f'(x)\)\(n\)个不同的零点(变号零点) \(\Longleftrightarrow\) 两个函数图像\(y=f'(x)\)\(y=0\)\(n\)个不同的穿根交点而不是相切点,思想方法:数形结合。

两者联系

导函数\(f'(x)\)的变号零点是原函数\(f(x)\)的极值点。导函数\(f'(x)\)的不变号零点不是原函数\(f(x)\)的极值点;

易错情形

当已知函数\(f(x)\)在区间\(D\)上有极值点时,我们容易错误转化为\(f'(x)=0\)在区间\(D\)上有解,但这些解中有些是导函数的相切解,有些是导函数的穿根解,而相切解不能成为极值点。

如上图,\(x=4\)是导函数的零点,但却是方程\(f'(x)=0\)的相切解,而不是穿根解;故\(x=4\)不是原函数的极值点。

具体问题中如何操作,以例说明;

引例 【2019\(\cdot\) 临汾调研】若函数\(f(x)=\cfrac{1}{3}x^3-\cfrac{a}{2}x^2+x+1\)在区间\((\cfrac{1}{2},3)\)上有极值点,则实数\(a\)的取值范围是【】

$A.(2,\cfrac{5}{2})$ $B.[2,\cfrac{5}{2})$ $C.(2,\cfrac{10}{3})$ $D.[2,\cfrac{10}{3})$

法1:函数\(f(x)=\cfrac{1}{3}x^3-\cfrac{a}{2}x^2+x+1\)在区间\((\cfrac{1}{2},3)\)上有极值点,\(f'(x)=x^2-ax+1\)

\(f'(x)=0\)\(2\)个不同的实根[若\(\Delta=0\),是一个根,就是相切解,不会成为极值点;若\(\Delta< 0\),没有根,则没有极值点]且在\((\cfrac{1}{2},3)\)上有解[一个解或者两个解],

则由\(\Delta=a^2-4>0\),解得\(a<-2\)\(a>2\)①;

\(x^2-ax+1=0\)在区间\((\cfrac{1}{2},3)\)上有解,分离参数得到\(a=x+\cfrac{1}{x}\)在区间\((\cfrac{1}{2},3)\)上有解,

\(g(x)=x+\cfrac{1}{x}\)在区间\((\cfrac{1}{2},3)\)上的值域为\([2,\cfrac{10}{3})\),即\(g(x)\in [2,\cfrac{10}{3})\)

\(a\in [2,\cfrac{10}{3})\)②,由①②求交集,得到实数\(a\)的取值范围是\((2,\cfrac{10}{3})\),故选\(C\)

法2:由题可知,\(f'(x)=x^2-ax+1=0\)\((\cfrac{1}{2},3)\)上有解[可能有漏解],

①当方程在\((\cfrac{1}{2},3)\)内仅有一个穿根解时,由零点存在性定理得到\(f'(\cfrac{1}{2})\cdot f'(3)<0\)

解得\(\cfrac{5}{2}<a<\cfrac{10}{3}\)

②当方程在\((\cfrac{1}{2},3)\)内有两个穿根解时,则\(\left\{\begin{array}{l}{f'(\cfrac{1}{2})>0}\\{f'(3)>0}\\{\Delta>0}\\{\cfrac{1}{2}<\cfrac{a}{2}<3}\end{array}\right.\)\(\left\{\begin{array}{l}{\cfrac{1}{4}-\cfrac{a}{2}+1>0}\\{9-3a+1>0}\\{a^2-4>0}\\{\cfrac{1}{2}<\cfrac{a}{2}<3}\end{array}\right.\)

解得\(2<a<\cfrac{5}{2}\)

\(a=\cfrac{5}{2}\)时,\(f'(x)=x^2-\cfrac{5}{2}x+1=(x-\cfrac{1}{2})(x-2)\),也满足题意;

综上所述,得到实数\(a\)的取值范围是\((2,\cfrac{10}{3})\),故选\(C\)

法3:由题可知,\(f'(x)=x^2-ax+1=0\)\((\cfrac{1}{2},3)\)上有解[可能有增根],

则方程\(x^2+1=ax\)在区间\((\cfrac{1}{2},3)\)上有解,

则函数\(y=x^2+1\)和函数\(y=ax\)在区间\((\cfrac{1}{2},3)\)上有交点,

函数\(y=x^2+1\)在区间\((\cfrac{1}{2},3)\)上的图像的两个端点为坐标\((\cfrac{1}{2},\cfrac{5}{4})\)\((3,10)\)

\(y=ax\)\(y=x^2+1\)相切时,由\(\Delta=a^2-4=0\),解得\(a=2\),舍去\(a=-2\)

\(y=ax\)过点\((3,10)\)时,\(a=\cfrac{10}{3}\)

由图像可知两个函数有交点时\(a\in [2,\cfrac{10}{3})\),但\(a=2\)时是相切解,故排除;

综上所述,得到实数\(a\)的取值范围是\((2,\cfrac{10}{3})\),故选\(C\)

法4:由题可知,\(f'(x)=x^2-ax+1=0\)\((\cfrac{1}{2},3)\)上有解[可能有增根],

则方程\(x^2+1=ax\)在区间\((\cfrac{1}{2},3)\)上有解,即\(a=x+\cfrac{1}{x}\)在区间\((\cfrac{1}{2},3)\)上有解,

\(g(x)=x+\cfrac{1}{x}\)在区间\((\cfrac{1}{2},3)\)上的值域为\([2,\cfrac{10}{3})\),即\(g(x)\in [2,\cfrac{10}{3})\)

\(a\in [2,\cfrac{10}{3})\),又由于\(a=2\)时,刚好和函数\(y=x+\cfrac{1}{x}\) \(x\in (\cfrac{1}{2},3)\)相切,是相切解,排除;

故实数\(a\)的取值范围是\((2,\cfrac{10}{3})\),故选\(C\)

典例剖析

例1 【2017\(\cdot\) 西安模拟】已知函数\(f(x)=kx^2-lnx\)有两个零点,求参数\(k\)的取值范围。

$A.k > \cfrac{e}{2}$ $B.0< k <\sqrt{e}$ $C.k > \cfrac{\sqrt{2}e}{2}$ $D.0< k <\cfrac{1}{2e}$

【法1】:不完全分离参数法,数形结合法,定义域为\((0,+\infty)\),转化为方程\(kx^2=lnx\)有两个不同的实数根,

再转化为函数\(y=kx^2\)与函数\(y=lnx\)的图像有两个不同的交点,

如图设两个函数的图像相切于点为\((x_0,y_0)\)

则有关系式\(\begin{cases}2kx_0=\cfrac{1}{x_0}\\kx_0^2=y_0\\y_0=lnx_0\end{cases}\)

解得\(y_0=\cfrac{1}{2},x_0=\sqrt{e}\),即切点为\((\sqrt{e},\cfrac{1}{2})\)

再代入函数\(y=kx^2\),求得此时的\(k=\cfrac{1}{2e}\)

再结合函数\(y=kx^2\)的系数\(k\)的作用,可得两个函数要有两个不同的交点,

\(k\in(0,\cfrac{1}{2e})\)。 故选\(D\).

【法2】:完全分离参数法,定义域为\((0,+\infty)\),转化为方程\(kx^2=lnx\)有两个不同的实数根,

再转化为\(k=\cfrac{lnx}{x^2}\)有两个不同的实数根,

再转化为函数\(y=k\)和函数\(y=g(x)=\cfrac{lnx}{x^2}\)的图像有两个不同的交点,

用导数研究函数\(g(x)\)的单调性,\(g'(x)=\cfrac{\cfrac{1}{x}\cdot x^2-lnx\cdot 2x}{(x^2)^2}=\cfrac{1-2lnx}{x^3}\)

\(1-2lnx>0\),得到\(0< x<\sqrt{e}\),令\(1-2lnx<0\),得到\(x >\sqrt{e}\)

即函数\(g(x)\)在区间\((0,\sqrt{e}]\)上单调递增,在\([\sqrt{e},+\infty)\)上单调递减,

\(g(x)_{max}=g(\sqrt{e})=\cfrac{1}{2e}\)

作出函数\(g(x)\)和函数\(y=k\)的简图,由图像可得\(k\)的取值范围是\(k\in(0,\cfrac{1}{2e})\)。 故选\(D\).

例2 【2017\(\cdot\)安徽合肥模拟】已知函数\(f(x)=xlnx-ae^x\)有两个极值点,则实数\(a\)的取值范围是【】

$A.(0,\cfrac{1}{e})$ $B.(0,e)$ $C.(\cfrac{1}{e},e)$ $D.(-\infty,e)$

【法1】:函数\(f'(x)=lnx+1-ae^x=0\)有两个变号零点,

即函数\(g(x)=lnx+1(x>0)\)与函数\(h(x)=ae^x(x>0)\)有两个不同的交点;

仿上题的法1,求得两条曲线相切时的\(a=\cfrac{1}{e}\)

结合图像可知,要使两个函数有两个不同的交点,

则有\(0< a <\cfrac{1}{e}\),故选\(A\)

【法2】:函数\(f'(x)=lnx+1-ae^x=0\)有两个变号零点,

分离参数得到,\(a=\cfrac{lnx+1}{e^x}\)

仿上例法2,求得\(0< a <\cfrac{1}{e}\),故选\(A\)

例1 函数\(f(x)=cosx-x\)\((0,\pi)\)上的单调性是【】

$A.先增后减$ $B.先减后增$ $C.单调递增$ $D.单调递减$

分析:易知\(f'(x)=-sinx-1\)\(x\in (0,\pi)\),故\(f'(x)<0\),则\(f(x)\)\((0,\pi)\)上单调递减,故选\(D\)

解后反思:函数\(f(x)=cosx-x\)的定义域为\((-\infty,+\infty)\)\(f'(x)=-sinx-1\)

\(x\in (-\infty,+\infty)\)时,\(f'(x)\leqslant 0\)恒成立,

虽说导函数有无穷个零点,但这些零点都不能连成一个宽度大于零的区间,

故不可能是常函数,即函数\(f(x)\)\((-\infty,+\infty)\)上是减函数。


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