前言
雖說零點和極值點都叫點,但是她們和我們平常所說的點\(A(1,2)\)是不一樣的,零點和極值點其實都是實數;同類:截距不是距離;
兩者區別
零點:是針對函數\(f(x)\)而言的,意思是使得\(f(x)=0\)的\(x\)的取值;
比如二次函數\(f(x)=x^2-3x+2\),由於\(f(x)=x^2-3x+2=0\),解得\(x=1\)或者\(x=2\),故其零點為\(x=1\)和\(x=2\),有兩個零點。也就是說零點其實是函數\(y=f(x)\)圖像與直線\(y=0\)交點的橫坐標。她又可以分為變號零點和不變號零點。比如函數\(f(x)=(x-4)^2\)的零點為\(x=4\),這個零點就是不變號零點;而剛才\(f(x)=x^2-3x+2\)的兩個零點\(x=1\)和\(x=2\)就叫變號零點,
注意:上圖中的三個函數都是原函數\(f(x)\)的圖像,而不是導函數\(f'(x)\)的圖像;
常用的轉化關系:涉及數形結合的思想方法。
函數\(y=f(x)\)有\(n\)個零點 \(\Longleftrightarrow\)
方程\(f(x)=0\)有\(n\)個不同的根 \(\Longleftrightarrow\)
兩個函數圖像\(y=f(x)\)與\(y=0\)有\(n\)個不同的交點[穿根交點和相切交點都算數],
極值點:也是針對函數\(f(x)\)而言的,但她與函數\(f(x)\)和導函數\(f'(x)\)都有關,極值點是導函數的零點;
比如\(x_0\)為函數\(f(x)\)的極值點,則求極值時必須計算\(f(x_0)\)而不是\(f'(x_0)\),而\(x_0\)要成為極值點,則首先必須滿足\(f'(x_0)=0\)且導函數在\(x_0\)的左右的函數值必須異號;
常用的轉化關系:函數\(y=f(x)\)有\(n\)個極值點 \(\Longleftrightarrow\) 函數\(y=f'(x)\)有\(n\)個不同的零點(變號零點) \(\Longleftrightarrow\) 兩個函數圖像\(y=f'(x)\)與\(y=0\)有\(n\)個不同的穿根交點而不是相切點,思想方法:數形結合。
兩者聯系
導函數\(f'(x)\)的變號零點是原函數\(f(x)\)的極值點。導函數\(f'(x)\)的不變號零點不是原函數\(f(x)\)的極值點;
易錯情形
當已知函數\(f(x)\)在區間\(D\)上有極值點時,我們容易錯誤轉化為\(f'(x)=0\)在區間\(D\)上有解,但這些解中有些是導函數的相切解,有些是導函數的穿根解,而相切解不能成為極值點。
如上圖,\(x=4\)是導函數的零點,但卻是方程\(f'(x)=0\)的相切解,而不是穿根解;故\(x=4\)不是原函數的極值點。
具體問題中如何操作,以例說明;
法1:函數\(f(x)=\cfrac{1}{3}x^3-\cfrac{a}{2}x^2+x+1\)在區間\((\cfrac{1}{2},3)\)上有極值點,\(f'(x)=x^2-ax+1\),
則\(f'(x)=0\)有\(2\)個不同的實根[若\(\Delta=0\),是一個根,就是相切解,不會成為極值點;若\(\Delta< 0\),沒有根,則沒有極值點]且在\((\cfrac{1}{2},3)\)上有解[一個解或者兩個解],
則由\(\Delta=a^2-4>0\),解得\(a<-2\)或\(a>2\)①;
由\(x^2-ax+1=0\)在區間\((\cfrac{1}{2},3)\)上有解,分離參數得到\(a=x+\cfrac{1}{x}\)在區間\((\cfrac{1}{2},3)\)上有解,
而\(g(x)=x+\cfrac{1}{x}\)在區間\((\cfrac{1}{2},3)\)上的值域為\([2,\cfrac{10}{3})\),即\(g(x)\in [2,\cfrac{10}{3})\)
故\(a\in [2,\cfrac{10}{3})\)②,由①②求交集,得到實數\(a\)的取值范圍是\((2,\cfrac{10}{3})\),故選\(C\)。
法2:由題可知,\(f'(x)=x^2-ax+1=0\)在\((\cfrac{1}{2},3)\)上有解[可能有漏解],
①當方程在\((\cfrac{1}{2},3)\)內僅有一個穿根解時,由零點存在性定理得到\(f'(\cfrac{1}{2})\cdot f'(3)<0\),
解得\(\cfrac{5}{2}<a<\cfrac{10}{3}\);
②當方程在\((\cfrac{1}{2},3)\)內有兩個穿根解時,則\(\left\{\begin{array}{l}{f'(\cfrac{1}{2})>0}\\{f'(3)>0}\\{\Delta>0}\\{\cfrac{1}{2}<\cfrac{a}{2}<3}\end{array}\right.\) 即\(\left\{\begin{array}{l}{\cfrac{1}{4}-\cfrac{a}{2}+1>0}\\{9-3a+1>0}\\{a^2-4>0}\\{\cfrac{1}{2}<\cfrac{a}{2}<3}\end{array}\right.\)
解得\(2<a<\cfrac{5}{2}\);
③\(a=\cfrac{5}{2}\)時,\(f'(x)=x^2-\cfrac{5}{2}x+1=(x-\cfrac{1}{2})(x-2)\),也滿足題意;
綜上所述,得到實數\(a\)的取值范圍是\((2,\cfrac{10}{3})\),故選\(C\)。
法3:由題可知,\(f'(x)=x^2-ax+1=0\)在\((\cfrac{1}{2},3)\)上有解[可能有增根],
則方程\(x^2+1=ax\)在區間\((\cfrac{1}{2},3)\)上有解,
則函數\(y=x^2+1\)和函數\(y=ax\)在區間\((\cfrac{1}{2},3)\)上有交點,
函數\(y=x^2+1\)在區間\((\cfrac{1}{2},3)\)上的圖像的兩個端點為坐標\((\cfrac{1}{2},\cfrac{5}{4})\)和\((3,10)\),
當\(y=ax\)與\(y=x^2+1\)相切時,由\(\Delta=a^2-4=0\),解得\(a=2\),舍去\(a=-2\),
當\(y=ax\)過點\((3,10)\)時,\(a=\cfrac{10}{3}\),
由圖像可知兩個函數有交點時\(a\in [2,\cfrac{10}{3})\),但\(a=2\)時是相切解,故排除;
綜上所述,得到實數\(a\)的取值范圍是\((2,\cfrac{10}{3})\),故選\(C\)。
法4:由題可知,\(f'(x)=x^2-ax+1=0\)在\((\cfrac{1}{2},3)\)上有解[可能有增根],
則方程\(x^2+1=ax\)在區間\((\cfrac{1}{2},3)\)上有解,即\(a=x+\cfrac{1}{x}\)在區間\((\cfrac{1}{2},3)\)上有解,
而\(g(x)=x+\cfrac{1}{x}\)在區間\((\cfrac{1}{2},3)\)上的值域為\([2,\cfrac{10}{3})\),即\(g(x)\in [2,\cfrac{10}{3})\)
故\(a\in [2,\cfrac{10}{3})\),又由於\(a=2\)時,剛好和函數\(y=x+\cfrac{1}{x}\) \(x\in (\cfrac{1}{2},3)\)相切,是相切解,排除;
故實數\(a\)的取值范圍是\((2,\cfrac{10}{3})\),故選\(C\)。
典例剖析
【法1】:不完全分離參數法,數形結合法,定義域為\((0,+\infty)\),轉化為方程\(kx^2=lnx\)有兩個不同的實數根,
再轉化為函數\(y=kx^2\)與函數\(y=lnx\)的圖像有兩個不同的交點,

如圖設兩個函數的圖像相切於點為\((x_0,y_0)\),
則有關系式\(\begin{cases}2kx_0=\cfrac{1}{x_0}\\kx_0^2=y_0\\y_0=lnx_0\end{cases}\),
解得\(y_0=\cfrac{1}{2},x_0=\sqrt{e}\),即切點為\((\sqrt{e},\cfrac{1}{2})\),
再代入函數\(y=kx^2\),求得此時的\(k=\cfrac{1}{2e}\),
再結合函數\(y=kx^2\)的系數\(k\)的作用,可得兩個函數要有兩個不同的交點,
則\(k\in(0,\cfrac{1}{2e})\)。 故選\(D\).
【法2】:完全分離參數法,定義域為\((0,+\infty)\),轉化為方程\(kx^2=lnx\)有兩個不同的實數根,

再轉化為\(k=\cfrac{lnx}{x^2}\)有兩個不同的實數根,
再轉化為函數\(y=k\)和函數\(y=g(x)=\cfrac{lnx}{x^2}\)的圖像有兩個不同的交點,
用導數研究函數\(g(x)\)的單調性,\(g'(x)=\cfrac{\cfrac{1}{x}\cdot x^2-lnx\cdot 2x}{(x^2)^2}=\cfrac{1-2lnx}{x^3}\),
令\(1-2lnx>0\),得到\(0< x<\sqrt{e}\),令\(1-2lnx<0\),得到\(x >\sqrt{e}\),
即函數\(g(x)\)在區間\((0,\sqrt{e}]\)上單調遞增,在\([\sqrt{e},+\infty)\)上單調遞減,
故\(g(x)_{max}=g(\sqrt{e})=\cfrac{1}{2e}\),
作出函數\(g(x)\)和函數\(y=k\)的簡圖,由圖像可得\(k\)的取值范圍是\(k\in(0,\cfrac{1}{2e})\)。 故選\(D\).
【法1】:函數\(f'(x)=lnx+1-ae^x=0\)有兩個變號零點,
即函數\(g(x)=lnx+1(x>0)\)與函數\(h(x)=ae^x(x>0)\)有兩個不同的交點;
仿上題的法1,求得兩條曲線相切時的\(a=\cfrac{1}{e}\),
結合圖像可知,要使兩個函數有兩個不同的交點,
則有\(0< a <\cfrac{1}{e}\),故選\(A\)。
【法2】:函數\(f'(x)=lnx+1-ae^x=0\)有兩個變號零點,
分離參數得到,\(a=\cfrac{lnx+1}{e^x}\),
仿上例法2,求得\(0< a <\cfrac{1}{e}\),故選\(A\)。
分析:易知\(f'(x)=-sinx-1\),\(x\in (0,\pi)\),故\(f'(x)<0\),則\(f(x)\)在\((0,\pi)\)上單調遞減,故選\(D\)。
解后反思:函數\(f(x)=cosx-x\)的定義域為\((-\infty,+\infty)\),\(f'(x)=-sinx-1\),
則\(x\in (-\infty,+\infty)\)時,\(f'(x)\leqslant 0\)恆成立,
雖說導函數有無窮個零點,但這些零點都不能連成一個寬度大於零的區間,
故不可能是常函數,即函數\(f(x)\)在\((-\infty,+\infty)\)上是減函數。