2023年高考数学一轮总复习考点探究与题型突破 第21讲　利用导数探究函数的零点问题 精品讲义（Word含答案）

第21讲　利用导数探究函数的零点问题
考点1 数形结合研究函数的零点
[名师点睛]
含参数的函数零点个数，可转化为方程解的个数，若能分离参数，可将参数分离出来后，用x表示参数的函数，作出该函数的图象，根据图象特征求参数的范围．
[典例]　
(2022·廊坊联考)已知函数f(x)＝x2－a2ln x，a∈R.
(1)若曲线y＝f(x)在x＝1处的切线方程为16x＋2y－17＝0，求a的值；
(2)若a>0，函数y＝f(x)与x轴有两个交点，求a的取值范围．
[举一反三]　
1.已知函数f(x)＝xex＋ex.
(1)求函数f(x)的单调区间和极值；
(2)讨论函数g(x)＝f(x)－a(a∈R)的零点的个数．
2.设函数f(x)＝ln x＋，m∈R.
(1)当m＝e(e为自然对数的底数)时，求f(x)的极小值；
(2)讨论函数g(x)＝f′(x)－零点的个数．
考点2 利用函数性质研究函数零点
[名师点睛]
利用函数性质研究函数的零点，主要是根据函数单调性、奇偶性、最值或极值的符号确定函数零点的个数，此类问题在求解过程中可以通过数形结合的方法确定函数存在零点的条件．
[典例]　
(2021·新高考Ⅱ卷)已知函数f(x)＝(x－1)ex－ax2＋b.
(1)讨论函数f(x)的单调性；
(2)从下面两个条件中选一个，证明：f(x)有一个零点．
①＜a≤，b>2a；②0＜a＜，b≤2a.
[举一反三]　
1.已知函数f(x)＝x3－a(x2＋x＋1)．
(1)若a＝3，求f(x)的单调区间；
(2)证明：f(x)只有一个零点．
2.(2021·济南二模)已知函数f(x)＝ex－ax(a∈R)．
(1)讨论函数f(x)的单调性；
(2)当a＝2时，求函数g(x)＝f(x)－cos x在上的零点个数．
考点3 构造法研究函数的零点
[名师点睛]
1．涉及函数的零点(方程的根)问题，主要利用导数确定函数的单调区间和极值点，根据函数零点的个数寻找函数在给定区间的极值以及区间端点的函数值与0的关系，从而求得参数的取值范围．
2．解决此类问题的关键是将函数零点、方程的根、曲线交点相互转化，突出导数的工具作用，体现转化与化归的思想方法．
[典例]　
　(2021·全国甲卷)已知a>0且a≠1，函数f(x)＝(x>0)．
(1)当a＝2时，求f(x)的单调区间；
(2)若曲线y＝f(x)与直线y＝1有且仅有两个交点，求a的取值范围．
[举一反三]　
1.(2022·南阳质检)已知f(x)＝x3＋x2＋2x，f′(x)是f(x)的导函数．
(1)求f(x)的极值；
(2)令g(x)＝f′(x)＋kex－1，若y＝g(x)的函数图象与x轴有三个不同的交点，求实数k的取值范围．
2．(2022·南宁调研)已知函数f(x)＝(x－1)ex－ax2＋b＋.
(1)若a＝1，求函数f(x)的单调区间；
(2)当a＝时，f(x)的图像与直线y＝bx有3个交点，求b的取值范围
第21讲　利用导数探究函数的零点问题
考点1 数形结合研究函数的零点
[名师点睛]
含参数的函数零点个数，可转化为方程解的个数，若能分离参数，可将参数分离出来后，用x表示参数的函数，作出该函数的图象，根据图象特征求参数的范围．
[典例]　
(2022·廊坊联考)已知函数f(x)＝x2－a2ln x，a∈R.
(1)若曲线y＝f(x)在x＝1处的切线方程为16x＋2y－17＝0，求a的值；
(2)若a>0，函数y＝f(x)与x轴有两个交点，求a的取值范围．
[解]　(1)由题意知函数的定义域为(0，＋∞)，f′(x)＝x－， 因为曲线y＝f(x)在x＝1处的切线方程为16x＋2y－17＝0，所以切线斜率为－8，即x＝1时，f′(1)＝1－a2＝－8, 解得a＝±3.
(2)因为函数y＝f(x)与x轴有两个交点，
所以方程f(x)＝0在(0，＋∞)上有两个不等实根，
即x2＝a2ln x在(0，＋∞)上有两个不等实根，
方程x2＝a2ln x可化为＝，
令g(x)＝，x>0，
则只需直线y＝与函数g(x)＝的图像有两个不同的交点．
g′(x)＝＝，
由g′(x)>0得1－2ln x>0，解得0＜x＜；
由g′(x)＜0得1－2ln x＜0，解得x>，
所以函数g(x)在(0，)上单调递增，在(，＋∞)上单调递减，
所以g(x)max＝g()＝.
当x>1时，g(x)＝>0；当0＜x＜1时，g(x)＜0，
当x→＋∞时，g(x)→0.
画出函数g(x)的大致图像如下：
由函数图像可得，当0＜＜，即a>时，直线y＝与函数g(x)＝的图像有两个不同的交点，即函数y＝f(x)与x轴有两个交点，因此a的取值范围为a>.
[举一反三]　
1.已知函数f(x)＝xex＋ex.
(1)求函数f(x)的单调区间和极值；
(2)讨论函数g(x)＝f(x)－a(a∈R)的零点的个数．
解　(1)函数f(x)的定义域为R，
且f′(x)＝(x＋2)ex，
令f′(x)＝0得x＝－2，则f′(x)，f(x)的变化情况如表所示：
x (－∞，－2) －2 (－2，＋∞)
f′(x) － 0 ＋
f(x) 单调递减 － 单调递增
∴f(x)的单调递减区间是(－∞，－2)，单调递增区间是(－2，＋∞)．
当x＝－2时，f(x)有极小值为f(－2)＝－，无极大值．
(2)令f(x)＝0，得x＝－1，
当x<－1时，f(x)<0；
当x>－1时，f(x)>0，且f(x)的图象经过点，(－1,0)，(0,1)．
当x→－∞时，与一次函数相比，指数函数y＝e－x增长更快，从而f(x)＝→0；
当x→＋∞时，f(x)→＋∞，f′(x)→＋∞，根据以上信息，画出f(x)大致图象如图所示．
函数g(x)＝f(x)－a(a∈R)的零点的个数为y＝f(x)的图象与直线y＝a的交点个数．
当x＝－2时，f(x)有极小值f(－2)＝－.
∴关于函数g(x)＝f(x)－a(a∈R)的零点个数有如下结论：
当a<－时，零点的个数为0；
当a＝－或a≥0时，零点的个数为1；
当－2.设函数f(x)＝ln x＋，m∈R.
(1)当m＝e(e为自然对数的底数)时，求f(x)的极小值；
(2)讨论函数g(x)＝f′(x)－零点的个数．
解　(1)当m＝e时，f(x)＝ln x＋，
f(x)的定义域为(0，＋∞)，
f′(x)＝－＝.
令f′(x)＝0，得x＝e.
当x∈(0，e)时，f′(x)<0；
当x∈(e，＋∞)时，f′(x)>0，
∴f(x)在(0，e)上单调递减，在(e，＋∞)上单调递增，
∴当x＝e时，f(x)取得极小值f(e)＝2.
(2)由题意知
g(x)＝f′(x)－＝－－(x>0)，
令g(x)＝0，得m＝－x3＋x(x>0)．
设φ(x)＝－x3＋x(x>0)，
则φ′(x)＝－x2＋1＝－(x－1)(x＋1)．
当x∈(0,1)时，φ′(x)>0，φ(x)在(0,1)上单调递增；
当x∈(1，＋∞)时，φ′(x)<0，φ(x)在(1，＋∞)上单调递减．
∴x＝1是φ(x)的唯一极值点，且是极大值点，
∴x＝1也是φ(x)的最大值点，
∴φ(x)的最大值为φ(1)＝.
结合y＝φ(x)的图象(如图)可知，
①当m>时，函数g(x)无零点；
②当m＝时，函数g(x)有且只有一个零点；
③当0④当m≤0时，函数g(x)有且只有一个零点．
综上所述，当m>时，函数g(x)无零点；
当m＝或m≤0时，函数g(x)有且只有一个零点；
当0考点2 利用函数性质研究函数零点
[名师点睛]
利用函数性质研究函数的零点，主要是根据函数单调性、奇偶性、最值或极值的符号确定函数零点的个数，此类问题在求解过程中可以通过数形结合的方法确定函数存在零点的条件．
[典例]　
(2021·新高考Ⅱ卷)已知函数f(x)＝(x－1)ex－ax2＋b.
(1)讨论函数f(x)的单调性；
(2)从下面两个条件中选一个，证明：f(x)有一个零点．
①＜a≤，b>2a；②0＜a＜，b≤2a.
[解]　(1)由函数的解析式可得f′(x)＝x(ex－2a)．
当a≤0时，若x∈(－∞，0)，则f′(x)＜0，f(x)单调递减，
若x∈(0，＋∞)，则f′(x)>0，f(x)单调递增；
当0＜a＜时，若x∈(－∞，ln(2a))，则f′(x)>0，f(x)单调递增，若x∈(ln(2a)，0)，则f′(x)＜0，f(x)单调递减，若x∈(0，＋∞)，则f′(x)>0，f(x)单调递增；
当a＝时，f′(x)≥0，f(x)在R上单调递增；
当a>时，若x∈(－∞，0)，则f′(x)>0，f(x)单调递增，
若x∈(0，ln(2a))，则f′(x)＜0，f(x)单调递减，
若x∈(ln(2a)，＋∞)，则f′(x)>0，f(x)单调递增；
(2)证明：若选择条件①，
由(1)知当a＞时，f(x)在(－∞，0)，(ln 2a，＋∞)上单调递增，在(0，ln 2a)上单调递减，所以f(x)在x＝0处取得极大值f(0)，在x＝ln 2a处取得极小值f(ln 2a)，
且f(0)＝－1＋b，f(ln 2a)＝(2a－aln 2a)ln 2a＋b－2a.
由于＜a≤，b＞2a，所以f(0)＞0，ln 2a＞0，b－2a＞0.
令g(x)＝2x－xln 2x，
则g′(x)＝1－ln 2x，当＜x＜时，g′(x)＞0，
当＜x≤时，g′(x)＜0，
所以g(x)在上单调递增，在上单调递减，
所以g(x)在x＝处取得极大值g.
由于g＝＞0，g＞0，g＝0，
所以g(x)≥0在上恒成立，
所以f(ln 2a)＞0.
当x→－∞时，f(x)→－∞，所以f(x)有一个零点，得证．
若选择条件②，
由(1)知，当0＜a＜时，f(x)在(－∞，ln 2a)，(0，＋∞)上单调递增，在(ln 2a,0)上单调递减，所以f(x)在x＝ln 2a处取得极大值f(ln 2a)，在x＝0处取得极小值f(0)．
由于0＜a＜，b≤2a，所以f(0)＜0，b－2a≤0，ln 2a＜0，－aln 2a＞0，则2a－aln 2a＞0，所以f(ln 2a)＜0.
当x→＋∞时，f(x)→＋∞，所以f(x)有一个零点，得证．
[举一反三]　
1.已知函数f(x)＝x3－a(x2＋x＋1)．
(1)若a＝3，求f(x)的单调区间；
(2)证明：f(x)只有一个零点．
(1)解　当a＝3时，f(x)＝x3－3x2－3x－3，
f′(x)＝x2－6x－3.
令f′(x)＝0，解得x＝3－2或x＝3＋2.
当x∈(－∞，3－2)∪(3＋2，＋∞)时，
f′(x)>0；
当x∈(3－2，3＋2)时，f′(x)<0.
故f(x)的单调递增区间为(－∞，3－2)，(3＋2，＋∞)，
单调递减区间为(3－2，3＋2)．
(2)证明　因为x2＋x＋1>0在R上恒成立，
所以f(x)＝0等价于－3a＝0.
设g(x)＝－3a，
则g′(x)＝≥0在R上恒成立，
当且仅当x＝0时，g′(x)＝0，
所以g(x)在(－∞，＋∞)上单调递增．
故g(x)至多有一个零点，从而f(x)至多有一个零点．
又f(3a－1)＝－6a2＋2a－
＝－62－<0，
f(3a＋1)＝>0，故f(x)有一个零点．
综上所述，f(x)只有一个零点．
2.(2021·济南二模)已知函数f(x)＝ex－ax(a∈R)．
(1)讨论函数f(x)的单调性；
(2)当a＝2时，求函数g(x)＝f(x)－cos x在上的零点个数．
解　(1)f(x)＝ex－ax，其定义域为R，f′(x)＝ex－a.
①当a≤0时，因为f′(x)>0，所以f(x)在R上单调递增；
②当a>0时，令f′(x)>0得x>ln a，令f′(x)＜0得x＜ln a，所以f(x)在(－∞，ln a)上单调递减，(ln a，＋∞)上单调递增．
综上所述，当a≤0时，f(x)在R上单调递增；当a>0时，f(x)在(－∞，ln a)单调递减，在(ln a，＋∞)上单调递增．
(2)由已知得g(x)＝ex－2x－cos x，x∈，
则g′(x)＝ex＋sin x－2.
①当x∈时，因为g′(x)＝(ex－1)＋(sin x－1)＜0，所以g(x)在上单调递减，所以g(x)>g(0)＝0，所以g(x)在上无零点；
②当x∈时，因为g′(x)单调递增，且g′(0)＝－1＜0，g′＝e－1>0，
所以存在x0∈，使g′(x0)＝0，
当x∈(0，x0)时，g′(x)＜0，当x∈时，g′(x)>0，
所以g(x)在[0，x0)上单调递减，在上单调递增，且g(0)＝0，所以g(x0)＜0，
又因为g＝e－π>0，所以g(x0)·g＜0，
所以g(x)在上存在一个零点，所以g(x)在上有两个零点；
③当x∈时，g′(x)＝ex＋sin x－2>e－3>0，所以g(x)在上单调递增，
因为g>0，所以g(x)在上无零点．
综上所述，g(x)在上的零点个数为2.
考点3 构造法研究函数的零点
[名师点睛]
1．涉及函数的零点(方程的根)问题，主要利用导数确定函数的单调区间和极值点，根据函数零点的个数寻找函数在给定区间的极值以及区间端点的函数值与0的关系，从而求得参数的取值范围．
2．解决此类问题的关键是将函数零点、方程的根、曲线交点相互转化，突出导数的工具作用，体现转化与化归的思想方法．
[典例]　
　(2021·全国甲卷)已知a>0且a≠1，函数f(x)＝(x>0)．
(1)当a＝2时，求f(x)的单调区间；
(2)若曲线y＝f(x)与直线y＝1有且仅有两个交点，求a的取值范围．
解　(1)当a＝2时，f(x)＝(x>0)，
f′(x)＝(x>0)，
令f′(x)>0，则0令f′(x)<0，
则x>，此时函数f(x)单调递减，
所以函数f(x)的单调递增区间为，单调递减区间为.
(2)曲线y＝f(x)与直线y＝1有且仅有两个交点，
可转化为方程＝1(x>0)有两个不同的解，即方程＝有两个不同的解．
设g(x)＝(x>0)，
则g′(x)＝(x>0)，
令g′(x)＝＝0，得x＝e，
当00，函数g(x)单调递增，
当x>e时，g′(x)<0，函数g(x)单调递减，
故g(x)max＝g(e)＝，
且当x>e时，g(x)∈，
又g(1)＝0，
所以0<<，所以a>1且a≠e，
即a的取值范围为(1，e)∪(e，＋∞)．
[举一反三]　
1.(2022·南阳质检)已知f(x)＝x3＋x2＋2x，f′(x)是f(x)的导函数．
(1)求f(x)的极值；
(2)令g(x)＝f′(x)＋kex－1，若y＝g(x)的函数图象与x轴有三个不同的交点，求实数k的取值范围．
解　(1)因为f′(x)＝x2＋3x＋2＝(x＋1)(x＋2)，
令f′(x)＝0，得x1＝－1，x2＝－2，
当x变化时，f′(x)，f(x)的变化如表所示：
x (－∞，－2) －2 (－2，－1) －1 (－1，＋∞)
f′(x) ＋ 0 － 0 ＋
f(x) ↗ 极大值 ↘ 极小值 ↗
由表可知，函数f(x)的极大值为f(－2)＝－，
极小值为f(－1)＝－.
(2)由(1)知g(x)＝x2＋3x＋2＋kex－1＝x2＋3x＋1＋kex，
由题知需x2＋3x＋1＋kex＝0有三个不同的解，即k＝－有三个不同的解．
设h(x)＝－，
则h′(x)＝＝，
当x∈(－∞，－2)时，h′(x)>0，h(x)单调递增，
当x∈(－2,1)时，h′(x)<0，h(x)单调递减，
当x∈(1，＋∞)时，h′(x)>0，h(x)单调递增，
又当x→－∞时，h(x)→－∞，
当x→＋∞时，h(x)→0且h(x)<0，
且h(－2)＝e2，h(1)＝－.
作出函数h(x)的简图如图，
数形结合可知，－2．(2022·南宁调研)已知函数f(x)＝(x－1)ex－ax2＋b＋.
(1)若a＝1，求函数f(x)的单调区间；
(2)当a＝时，f(x)的图像与直线y＝bx有3个交点，求b的取值范围．
解　(1)当a＝1时，f(x)＝(x－1)ex－x2＋b＋(x∈R)，则f′(x)＝ex＋(x－1)ex－2x＝x(ex－2)．令f′(x)>0，解得x＜0或x>ln 2；令f′(x)＜0，解得0＜x＜ln 2，所以函数f(x)的单调递增区间为(－∞，0)和(ln 2，＋∞)，单调递减区间为(0，ln 2)．
(2)因为a＝，
所以f(x)＝(x－1)ex－x2＋b＋.
由(x－1)ex－x2＋b＋＝bx，
得(x－1)ex－(x2－1)＝b(x－1)．
当x＝1时，方程恒成立．
当x≠1时，只需方程ex－(x＋1)＝b有2个实根．
令g(x)＝ex－(x＋1)，则g′(x)＝ex－.
当x＜ln 时，g′(x)＜0，当x>ln 且x≠1时，g′(x)>0，
所以g(x)在上单调递减，在和(1，＋∞)上单调递增．
因为g＝－＝ln 2，g(1)＝e－1≠0，当x→－∞时，g(x)→＋∞，当x→＋∞时，g(x)→＋∞，
所以b∈∪(e－1，＋∞)