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  • 导数法研究函数的零点

    前言

    在函数与方程章节中,我们研究过函数的零点,其常用的求解思路有①解方程法,应该排在首位,能解则解;②零点存在性定理;③数形结合法;当时使用的数形结合法,还没有渗透使用导数的方法,能处理的函数类型和函数的复杂程度都是很有限的,当引入导数这一利器,研究函数的范围、类型和眼界一下子开阔了许多,所以,请仔细体会导数素材的工具性;

    含参函数的零点

    【2020(cdot) 石家庄模拟】已知函数(f(x)=2a^2lnx-x^2) ((a>0)).

    (1).求函数 (f(x)) 的单调区间;

    分析:由于(f(x)=2a^{2}ln x-x^{2}),定义域为((0,+infty))

    (f^{prime}(x)=cfrac{2 a^{2}}{x}-2x=cfrac{2a^{2}-2 x^{2}}{x})(=cfrac{-2(x-a)(x+a)}{x})

    借助分子函数(y=-2(x+a)(x-a))的图像,判断如下:

    由于(a>0),故当 (0<x<a) 时, (f^{prime}(x)>0),当 (x>a) 时, (f^{prime}(x)<0).

    (f(x)) 的单调递增区间是 ((0, a)),单调递减区间是 ((a,+infty))

    (2)讨论函数 (f(x)) 在区间((1,e^2))上零点的个数((e) 为自然对数的底数)...

    分析: 由(1)得 (f(x)_{max }=f(a))(=a^{2}(2ln a-1))

    借助函数的最大值的正负,讨论函数 (f(x)) 的零点情况如下:

    ①当 (a^{2}(2 ln a-1)<0),即 (0<a<sqrt{e})时,函数无零点,

    (a^{2}(2 ln a-1)=0), 即 (a=sqrt{e})时,函数在((0,+infty))有一个零点,

    又由于(1<a=sqrt{e}<e^2),故(f(x))((1, e^2)) 内有一个零点;

    ③当 (a^{2}(2 ln a-1)>0)时,即 (a>sqrt{mathrm{e}}) 时,由于 (f(1)=-1<0)(f(a)=a^{2}(2ln a-1)>0)

    (f(e^2)=2a^{2}ln(e^2)-{e}^{4}=4a^{2}-{e}^{4})

    (=(2a-{e}^{2})(2a+e^{2})) (quadquad)注意,此时((2a+e^2>0))恒成立;

    (quadquad)(2a-e^2<0),即(sqrt{e}<a<cfrac{{e}^{2}}{2}) 时,(1<sqrt{e}<a<cfrac{{e}^{2}}{2}<e^{2})

    (f({e}^{2})<0),由函数 (f(x)) 的单调性可知,函数 (f(x))((1, a)) 内有唯一零点 (x_{1})

    ((a, {e}^{2})) 内有唯一零点 (x_{2}) ,则(f(x))((1, {e}^{2})) 内有两个零点.

    (quadquad)(2a-{e}^{2}geqslant 0), 即 (a geqslant cfrac{e^2}{2}>sqrt{e})时,

    (f(e^2)geqslant 0),而且 (f(e)=2a^{2}cdot cfrac{1}{2}-e=a^{2}-e>0)(f(1)=-1<0)

    由函数的单调性可知,无论(a geqslant e^2),还是(cfrac{e^2}{2}leqslant a<e^{2})

    (f(x))((1, sqrt{e})) 内有唯一的零点,在 ((sqrt{e}, e^2)) 内没有零点,

    从而 (f(x))((1, e^2)) 内只有一个零点.

    综上所述,当(0<a<sqrt{e})时,函数无零点,

    (a=sqrt{e})(ageqslant cfrac{e^2}{2})时,函数在((1,e^2))有一个零点,

    (sqrt{e}<a<cfrac{e^2}{2}) 时, 函数 (f(x)) 在区间 ((1, e^2)) 上有两个零点.

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