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一道求函数零点和极值点个数的高中数学题——分类讨论思想

时间:2019-07-29 03:22:19

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一道求函数零点和极值点个数的高中数学题——分类讨论思想

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在上两篇文章中,我们讨论了数列有关内容,这一篇我想和大家讨论一下函数的零点和极值问题。这个题目同样源于笔者接的一单问答中几个填空题的其中一道,感觉有点启发意义,这里和大家分享一下:

同样的,不妨先动手做一下,然后再接着往下看。这道题中包括两个未知参数a、b和一个绝对值符号,讨论起来比较复杂。但是按照题目要求,只需要找其中一个正确答案就可以了,我们很自然地想到选一个信息较多的条件。于是我们假设a=1;考虑函数 g(t) = (t-1) - 3|t-1| (t≥0),很明显直线 t =1 将 g(t) 分为 0≤t<1和t≥1 两部分,这两部分均为 t 二次函数的一段,而这两个二次函数的对称轴分别为t=-1/2 和 t=5/2;第一段函数在其对称轴的右边,所以 g(t) 在这一段( 0≤t<1)单调递增,第二段函数的对称轴(t=5/2)在这一段的中间部分,多以 g(t) 在这一段( t≥1)先减小后增大。我们计算出t=0、t=1、t=-5/2 这几个点的值然后作图如下:

由于 t=x ,所以在 x≥0 时 g(x) 极值点的纵坐标和升降趋势和 g(t) 相同,我们可根据 g(t) 的图像作出 g(x) 在x≥0 时的图像,又由于 g(x) 为偶函数,所以 x<0部分的图像也可以作出来了:

所以我们知道 a=1 时,f(x) = g(x) - b 有三个极小值点,当 -9/4<b<-2 或者b=0时 f(x) 有4个零点,当-2<b<0 时 f(x) 有6个零点 。所以由③可以得到⑦,④可以得到⑧,就该题而言当然就已经结束了。

但是接下来,我们更深入探讨一下,a 的大小与 f(t) 极值点之间的关系。我们回到 g(t) ,其两段函数的对称轴分别为 t=a-3/2 和 t=a+3/2,当 a<-1/2时,两个对称轴分别在这两段函数的左边, 此时 f(t) 在 0≤t<1,和t≥1 两段都是上升的:

当 -1/2≤a<3/2时,此时第一段函数的对称轴仍然在这段函数的左边,所以这一段 f(t) 是上升的。而第二段对称轴跑到 1 的右边,所以第二段先下降后上升:

当 3/2≤a<5/2时,第一段的函数的对称轴跑到 0和1之间,第二段函数的对称轴仍然在1 的右边,所以这两段函数都是先下降后上升的:

当 5/2≤a 是,第一段函数的对称轴跑到1的右边,所以第一段函数下降,第二段函数先先下降后上升:

将 t 换成 x,根据对称性得到 g(x) 的趋势图像,而 g(x) 与 f(x) 之间只差了一个常数b ,他们的升降趋势相同:

所以当 a≤-1/2时,f(x) 有1个极小值点,当 3/2<a<5/2时,f(x) 有4个极小值点。所以由①可以推导出⑥,由②可以推导出⑤。当然我们还可以继续算出各极值点的大小讨论a、b不同取值情况下零点的个数,这就太复杂了,高考中一般不会出现太复杂的题目,这里就不在讨论了,感兴趣可以再做一下。

小结

本文通过一道高考模拟卷的填空题,展示了分类讨论的一般思路。这道题虽然只是一道填空题,但过程还是比较麻烦的,其完全可以当作一道大题出现,我们的思路为用t替换 x ,然后通过分段讨论将函数转化为我们熟悉的二次函数,然后通过讨论 a 取不同值时,两段函数的对称轴的位置,得到函数的上升和下降趋势,从而得到函数极值点,再通过映射 h: x->t 在 x≥0 时的单调递增关系和 f(x) 为偶函数特性,得到全定义域内 f(x) 的极值点和零点。

这种题目难点在于很麻烦,需要我们耐心仔细地讨论各种情况,这在考试的环境中(高度紧张)是尤为难得的,碰到这种题目不要慌,先转化为我们熟悉的形式,然后分各种情况讨论。如果对情况把握不准(例如这里为什么用 a 分段讨论),我们先找出影响结论的关键因素(这里极值点和零点的关键在于函数的升降趋势),找到关键因素(这里的a)后,找出一个临界值(这里是两个对称轴在 x=0,和 x =1处 a 的取值) ,这样就知道把 a 分哪些情况讨论了。

最后,依然用右手螺旋定则为大家点赞,为即将参加高考的同学们加油。如果对左右手定则记不清楚的话,在文章高考物理中的左右手定则,超全超实用中有总结,欢迎浏览。

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