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例题精讲 · 第 00112 题 · 自编三题·解不出的零点,照样能把范围证出来

导数题里常出现一个解不出来的零点 x₀:方程 f′(x₀)=0 含 e^x 与 ln x,硬解无门,但题目要的是最值或参数范围。本文用三道自编题讲「设而不求」:用零点方程把超越式整体替换掉、把 f(x₀) 降成多项式、再用单调性夹出 x₀ 所在区间。每题给完整解答、回代验算、采分点与易错点,并附隐零点三步法与常用替换对照表。

00112题号全 1000 篇 · 第 第19轮 / 第19册 轮
方向数学·导数与解三角形六向之一
题型自编仿真题逐题精讲 · 采分点拆解

题目性质:自编仿真题——题目、材料、选项、数据与情境均为按课程标准与联招常见考点独立编写的原创仿真题,非真题原文,未取自任何题库、教辅或试卷;解析与采分点为教研整理,非官方评分标准。

例题精讲 · 数学导数

一、考点定位与做题顺序

隐零点的标准形态:f′(x)=0 解不出,但 x₀ 唯一存在。做题不求解,只做三件事——①用单调性与零点存在定理证唯一并夹区间(如 x₀∈(1,2));②把零点方程写成替换式(如 e^{x₀}=2x₀ 或 ln x₀ = 1−x₀),在最值式里整体代掉超越项;③把 f(x₀) 化简成一个不含超越式的表达式,再借区间估计它的范围。

关键纪律:替换式只能来自 f′(x₀)=0,不能自己编;代换后要回代检验单调性方向没变;区间估计用端点函数值异号,别用「大概」。下面三题的函数式与数据均为自编示意,全部做过回代互验。

二、题目呈现

题1(解答题)

设函数 f(x)=e^x−2x−1。

(1) 证明 f′(x)=0 在 (0,1) 内有且仅有一个实根 x₀;

(2) 不求 x₀ 的值,求 f(x₀) 的精确表达式,并判断其正负。

题2(解答题)

设 g(x)=x ln x − (3/2)x² + 3x(x>0)。记 g′(x)=0 在 (1,2) 内的根为 t。

(1) 证明 t 存在且唯一;

(2) 用「设而不求」求 g(t) 的化简式,并证明 g(t)>0。

题3(解答题·含参)

设 h(x)=e^x − a x²(a>0),其极小值点为 x₀,且 h(x₀)=0。

(1) 由 h′(x₀)=0 与 h(x₀)=0 联立,求 a 与 x₀ 满足的关系,并求出 a;

(2) 把 a 代回验证 x₀ 确为极小值点,并写出 h(x) 的单调区间。

三、分步解析

题1 (1) f′(x)=e^x−2,f″(x)=e^x>0,故 f′ 严格递增,至多一个零点。又 f′(0)=1−2=−1<0,f′(1)=e−2≈0.718>0,由零点存在定理在 (0,1) 内存在零点,记为 x₀;严格单调保证唯一。回代:e−2>0 成立。

题1 (2) 由 f′(x₀)=0 得 e^{x₀}=2(替换式)。于是 f(x₀)=e^{x₀}−2x₀−1 = 2−2x₀−1 = 1−2x₀。因 x₀=ln 2≈0.693∈(0,1),故 1−2x₀≈−0.386<0。也可不求 x₀:由 e^{x₀}=2 且 e^x 递增,x₀=ln2>1/2(因 e^{1/2}=√e≈1.649<2),故 1−2x₀<0。精确表达式 1−2x₀,符号为负。验算:直接代 x=ln2,f(ln2)=2−2ln2−1=1−2ln2,与化简式一致。

题2 (1) g′(x)=ln x + 1 − 3x + 3 = ln x − 3x + 4。记 φ(x)=ln x−3x+4,则 φ′(x)=1/x−3,在 (1,2) 上 φ′(x)≤1−3=−2<0,故 φ 在 (1,2) 上严格递减。又 φ(1)=0−3+4=1>0,φ(2)=ln2−6+4≈0.693−2=−1.307<0,端点异号,由零点存在定理存在 t∈(1,2) 使 φ(t)=0;严格递减保证唯一。回代:φ(1)>0、φ(2)<0 数值均已复算。

题2 (2) 由 g′(t)=0 得 ln t = 3t − 4(替换式)。于是 g(t)= t·ln t − (3/2)t² + 3t = t(3t−4) − (3/2)t² + 3t = 3t² − 4t − 1.5t² + 3t = (3/2)t² − t = t(3t−2)/2。因 t∈(1,2),3t−2>1>0 且 t>0,故 g(t)>0。回代互验:数值解 φ(t)=0 得 t≈1.459325,代入 t(3t−2)/2≈1.735118;原式 t ln t −1.5t²+3t ≈ 1.459325×0.378 −3.196 +4.378 ≈ 1.735117,两者在舍入误差内一致,且 φ(t)≈0 已复核。

题3 (1) h′(x)=e^x−2ax。由 h′(x₀)=0 得 e^{x₀}=2a x₀;由 h(x₀)=0 得 e^{x₀}=a x₀²。两式相除(x₀>0,a>0):2a x₀ = a x₀² ⟹ x₀=2。代回 e²=2a·2 ⟹ a=e²/4。回代:a x₀² = (e²/4)·4 = e²,与 2a x₀ = 2·(e²/4)·2 = e² 一致。

题3 (2) a=e²/4>0,h′(x)=e^x − (e²/2)x。令 ψ(x)=h′(x),ψ′(x)=e^x−e²/2,ψ′(2)=e²−e²/2=e²/2>0,且 ψ′(x)=0 的根为 x=2−ln2≈1.307;ψ 在该点取极小后递增,ψ(2)=0,且 ψ(0)=1>0、ψ(1)=e−e²/2≈2.718−3.695<0,故 ψ 在 (0, x₁) 与 (2,+∞) 之外还有一个零点 x₁∈(0,1)。因此 h 在 (0,x₁) 递增、(x₁,2) 递减、(2,+∞) 递增,x=2 是极小值点(注意不是唯一极值点,但满足题设「极小值点为 x₀=2」)。验算:h(2)=e²−(e²/4)·4=0,与题设一致。

四、采分点对照

题号答案采分点构成
题1 (1)唯一根 x₀∈(0,1)求导 1 分;用 f″>0 证 f′ 严格单调 1 分;端点异号 1 分;唯一性结论 1 分
题1 (2)f(x₀)=1−2x₀<0写出替换式 e^{x₀}=2 得 2 分;整体代入化简 1 分;不用解值判符号 1 分;回代验算 1 分
题2 (1)唯一根 t∈(1,2)求导 1 分;由 φ′<0 证严格递减 1 分;φ(1)>0、φ(2)<0 各 1 分;唯一性结论 1 分
题2 (2)g(t)=t(3t−2)/2>0写出 ln t=3t−4 得 2 分;代换化简 1 分;由区间判正 1 分;数值回代互验 1 分
题3 (1)x₀=2,a=e²/4列出两个条件式各 1 分;相除解出 x₀ 2 分;回代求 a 1 分;验算一致性 1 分
题3 (2)极小值点确为 2ψ′ 分析 1 分;指出存在另一零点 x₁ 1 分;写出单调区间 1 分;h(2)=0 回代 1 分

五、高频易错点

  • 硬解 f′(x)=0:含 e^x 与多项式混合的方程一般解不出,硬解就走死胡同。
  • 把替换式记错:必须严格来自 f′(x₀)=0,写成 e^{x₀}=x₀ 之类会让后面全错。
  • 代换后不回代验算,化简错了也看不出来。
  • 区间估计只写「大概在 1 和 2 之间」,不给端点异号的计算依据。
  • 题3 以为「极小值点唯一」就是「只有一个极值点」,漏掉 (0,1) 内的另一个零点。

六、小结与自查清单

零点方程形态替换式代换后的效果自编例题
e^{x₀}=常数直接把 e^{x₀} 换成常数f(x₀) 降为一次式题1:e^{x₀}=2 → 1−2x₀
ln x₀ = 多项式把 ln x₀ 整体换掉g(t) 降为二次式题2:ln t=3t−4 → t(3t−2)/2
两条件联立相除消去超越项先解出 x₀ 再求参数题3:x₀=2,a=e²/4
  • □ 先用 f″ 或单调性证明零点唯一,再用端点异号夹区间。
  • □ 把 f′(x₀)=0 单独抄一行当替换式,后面每一步都指着它用。
  • □ 代换后把 f(x₀) 化到不含超越式为止,再判断符号或范围。
  • □ 所有化简结果都回代原式验一遍,数值题另做一次近似互算。
  • □ 区间估计写出端点函数值的具体数值,不用「显然」「大概」。

隐零点考的不是解方程,是承认解不出之后还能不能往下推:零点方程给替换式,替换式把超越项消掉,区间端点把范围夹住。三步里最容易被跳过的是「证唯一」和「回代验算」,而它们恰恰是答案能不能站住的地方。本组三题的函数式与数据均经回代互验,数值自洽。本组函数式、数据与解析均为原创自编仿真内容。

编写说明与学科依据

本文为备考教研体例稿:题目系按课程标准与联招常见考点范围编写的仿真练习题,非真题原文;文中案例为示意内容,非真实记录;文末栏目为学科依据说明,非逐条引文。涉及报考、录取、证件、居留、资助等事项,一律以当年官方文件与学校正式通知为准。

学科依据:

  • 人教版高中数学选择性必修:导数应用、函数零点与不等式证明相关章节
  • 《普通高等学校联合招收华侨港澳台学生考试大纲(数学科)》:导数及其应用考查范围(仅作命题范围参照,本文题目未与真题逐题比对)
  • 编写说明:题目、函数式与数值均为按常见考点独立编写的原创仿真题,未取自任何题库、教辅或试卷;解析与采分点为教研整理,非官方评分标准

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