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用二次函数研究三次多项式函数的零点问题【中阶和高阶辅导】

时间:2020-09-14 05:38:47

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用二次函数研究三次多项式函数的零点问题【中阶和高阶辅导】

二次函数的另类作用:

用二次函数研究三次多项式函数的零点问题,可以看成二次函数的又一个大作用。

设三次多项式函数\(F(x)=ax^3+bx^2+cx+d(a>0)\),其导函数为二次函数\(F'(x)=3ax^2+2bx+c\),导函数的判别式标记为\(\Delta\),

1、若\(\Delta\leq 0\),则\(F'(x)\ge0\)恒成立,所以\(F(x)\)在\(R\)上单调递增,有一个零点;

引申:若\(\Delta > 0\),则\(F'(x)\ge0\)不恒成立,所以\(F(x)\)在\(R\)上不是单调递增。

2、若\(\Delta > 0\),令\(y=F'(x)\)的两个零点分别\(m、n\),

则\(F(x)\)在区间\((-∞,m]\)单增,在区间\([m,n]\)单减,在区间\([n,+∞)\)单增,

此时函数\(F(x)\)有极大值\(F(m)\),有极小值\(F(n)\),

我们结合导函数图像,可以作出原函数的草图,

若\(F(m)>0,F(n)>0,\)则 \(F(x)\)有一个零点,有两个极值点;

若\(F(m)=0,F(n)<0,\)则 \(F(x)\)有两个零点,有两个极值点;

若\(F(m)<0,F(n)<0,\)则 \(F(x)\)有一个零点,有两个极值点;

若\(F(m)<0,F(n)>0,\)则 \(F(x)\)有三个零点,有两个极值点;

若\(F(m)>0,F(n)=0,\)则 \(F(x)\)有两个零点,有两个极值点。

\(\fbox{例1}\)【高考新课标Ⅰ卷理科,第11题】已知函数\(f(x)=ax^3-3x^2+1\),若函数\(f(x)\)存在唯一零点 \(x_0\),且\(x_0>0\),则\(a\)的取值范围是【C】

$A(2,+\infty)$ $B(1,+\infty)$ $C(-\infty,-2)$ $D(-\infty,-1)$

法1:由于函数\(f(x)\)存在唯一零点 \(x_0\),且\(x_0>0\),

则方程\(f(x)=0\)有唯一的正实数解,即\(ax^3-3x^2+1=0\)有唯一的正实数解,

即方程\(a=\cfrac{3x^2-1}{x^3}\)有唯一的正实数解,

即函数\(y=a\)和函数\(y=h(x)=\cfrac{3x^2-1}{x^3}=\cfrac{3}{x}-\cfrac{1}{x^3}(x>0)\)有唯一的交点,

其余思路待补充。

法2:先将题目转化为,方程\(ax^3=3x^2-1\)有唯一的正实数解,

则静态函数\(y=3x^2-1\)和动态函数\(y=ax^3\)只能在区间\((0 ,+\infty)\)上有交点,

此处需要我们知道函数\(y=ax^3\)的参变数\(a\)的作用,

由图像可知,当\(a\leq 0\)时,都不满足题意,故需要\(a<0\),

但当\(a\)取很小的负值时,显然满足题意,当\(a\)为某一个恰当的负值时,两个曲线在\(x<0\)时可能相切,

当然,此处你可能还会认为是有相切,还有相交,这不要紧,我们通过下述的计算就能回答这个疑惑。

设切点坐标为\(P(x_0,y_0)\),则有\(x_0<0\),

则有\(\left\{\begin{array}{l}{3ax_0^2=6x_0}\\{y_0=ax_0^3}\\{y_0=3x_0^2-1}\end{array}\right.\)

解得\(x_0=-1\),\(y_0=2\),将切点\(P(-1,2)\)代入\(y=ax^3\),解得\(a=-2\),

故当\(a<-2\)时,两条曲线在\(x<0\)上没有交点,只在\(x>0\)上有交点,故满足题意,

即\(a\)的取值范围时\((-\infty,-2)\),故选\(C\)。

法3:利用导数方法,同时注意题目的隐含条件,\(f(0)=1\),

\(f'(x)=3ax^2-6x=3x(ax-2)\),

①当\(a=0\)时,原函数为\(y=-3x^2+1\),有两个零点,不符合题意,舍去。

②当\(a>0\)时,由导函数的图像可知,函数\(f(x)\)在区间\((-\infty,0)\)上单调递增,在区间\((0,\cfrac{2}{a})\)上单调递减,在区间\((\cfrac{2}{a},+\infty)\)上单调递增,

此时函数在区间\((-\infty,0)\)上必有一个零点,不符合题意,舍去。

③当\(a<0\)时,由导函数的图像可知,函数\(f(x)\)在区间\((-\infty,\cfrac{2}{a})\)上单调递减,在区间\((\cfrac{2}{a},0)\)上单调递增,在区间\((0,+\infty)\)上单调递减,

此时只需要函数\(f(x)\)的极小值大于零即可,即\(f(\cfrac{2}{a})>0\),

即\(a\cdot (\cfrac{2}{a})^3-3\cdot (\cfrac{2}{a})^2+1>0\),化简得到\(a^2>4\),

解得\(a<-2\)或\(a>2\),又\(a<0\),故\(a<-2\)。

即\(a\)的取值范围时\((-\infty,-2)\),故选\(C\)。

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