高考函數(shù)命題的新動(dòng)向
——函數(shù)中的五點(diǎn)

張德文● 陳 亮●

湖南省瀏陽市第一中學(xué)(410300)

高考函數(shù)命題的新動(dòng)向
——函數(shù)中的五點(diǎn)

張德文● 陳 亮●

湖南省瀏陽市第一中學(xué)(410300)

函數(shù)是貫穿中學(xué)數(shù)學(xué)的一條主線，是學(xué)好高等數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)，每年的高考對(duì)函數(shù)問題的考查所占的比例都很大，可以說是?？汲Ｐ?其中涉及函數(shù)的零點(diǎn)、極值點(diǎn)、拐點(diǎn)、不動(dòng)點(diǎn)、穩(wěn)定點(diǎn)的問題，是高考命題的新動(dòng)向；是考查函數(shù)知識(shí)的一個(gè)新“亮點(diǎn)”.下面舉例說明，旨在總結(jié)這部分試題的考題類型，并揭示解決此類問題的方法與規(guī)律.

一、函數(shù)的零點(diǎn)

函數(shù)零點(diǎn)的定義：對(duì)于函數(shù)y=f(x)，把f(x)=0的實(shí)數(shù)x叫做函數(shù)y=f(x)的零點(diǎn).函數(shù)零點(diǎn)的判定的常用方法有:(1)零點(diǎn)存在定理;(2)數(shù)形結(jié)合;(3)解方程f(x)=0.

例1 (2016年全國高考?jí)狠S題)已知函數(shù)f(x)=(x-2)ex+a(x-1)2有兩個(gè)零點(diǎn).(Ⅰ)求a的取值范圍；(Ⅱ)設(shè)x1，x2是f(x)的兩個(gè)零點(diǎn)，證明：x1+x2<2.

解 (Ⅰ)f′(x)=(x-1)ex+2a(x-1)=(x-1)(ex+2a).(ⅰ)設(shè)a=0,則f(x)=(x-2)ex,f(x)只有一個(gè)零點(diǎn).

(ⅲ)設(shè)a<0,由f′(x)=0得x=1或x=ln(-2a).

綜上，a的取值范圍為(0,+∞).

(Ⅱ)不妨設(shè)x1f(2-x2),即f(2-x2)<0.

由于f(2-x2)=-x2e2-x2+a(x2-1)2,而f(x2)=(x2-2)ex2+a(x2-1)2=0,所以f(2-x2)=-x2e2-x2-(x2-2)ex2.設(shè)g(x)=-xe2-x-(x-2)ex,則g′(x)=(x-1)(e2-x-ex).所以當(dāng)x>1時(shí)，g′(x)<0,而g(1)=0,故當(dāng)x>1時(shí)，g(x)<0.從而g(x2)=f(2-x2)<0,故x1+x2<2.

二、函數(shù)的極值點(diǎn)

定義 設(shè)函數(shù)y=f(x)在點(diǎn)x0附近有定義，如果對(duì)x0附近的所有的點(diǎn)都有f(x)f(x0)則稱f(x0)為y=f(x)的一個(gè)極小值，點(diǎn)(x0，f(x0))為y=f(x)的一個(gè)極小值點(diǎn).極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)統(tǒng)稱極值點(diǎn).對(duì)于可導(dǎo)函數(shù)，若x0為極值點(diǎn)，則f′(x0)=0

例2 設(shè)x=1和x=2是函數(shù)f(x)=x5+ax3+bx+1的兩個(gè)極值點(diǎn).(Ⅰ)求a、b的值； (Ⅱ)求f(x)的單調(diào)區(qū)間.

解 (Ⅰ)f′(x)=5x4+3ax2+b,由假設(shè)知f′(1)=5+3a+b=0,f′(2)=24×5+22×3a+b=0.

(Ⅱ)由(Ⅰ)知f′(x)=5x4-25x2+20=5(x2-1)(x2-4)=5(x+1)(x+2)(x-1)(x-2).

當(dāng)x∈(-∞,-2)∪(-1,1)∪(2,+∞)時(shí)，f′(x)>0，當(dāng)x∈(-2,-1)∪(1,2)時(shí)，f′(x)<0.

因此f(x)的單調(diào)增區(qū)間是(-∞,-2),(-1,1),(2,+∞),f(x)的單調(diào)減區(qū)間是(-2,-1),(1,2).

三、函數(shù)的拐點(diǎn)

對(duì)于函數(shù)y=f(x)，做如下定義：設(shè)f″(x)是函數(shù)y=f(x)的導(dǎo)數(shù)y=f′(x)的導(dǎo)數(shù)，若方程f″(x)=0有實(shí)數(shù)解x0，則稱點(diǎn)(x0，f(x0))為函數(shù)y=f(x)的“拐點(diǎn)”.

例3 已知三次函數(shù)y=ax3+bx2+cx+d的圖象過點(diǎn)(0，2)，在x=1處的切線方程為：y=10x-3，且f″(1)=12.請(qǐng)解答以下問題：

(1)求函數(shù)y=f(x)的解析式及“拐點(diǎn)”P的坐標(biāo)；

(2)檢驗(yàn)y=f(x)的圖象是否關(guān)于“拐點(diǎn)”P對(duì)稱；

(3)證明：①任何一個(gè)三次函數(shù)y=ax3+bx2+cx+d(a≠0)均存在拐點(diǎn).②猜測(cè)：任何一個(gè)三次函數(shù)是否一定存在對(duì)稱中心？若存在，請(qǐng)寫出對(duì)稱中心的坐標(biāo)，不需證明；若不存在，請(qǐng)舉一反例.

∴y=x3+3x2+x+2.再由f″(x0)=0得6x0+6=0，∴x0=-1.故P(-1，3).

(2)設(shè)A(x，y)為y=f(x)圖象上一點(diǎn)，則A關(guān)于P對(duì)稱點(diǎn)的坐標(biāo)是(-2-x，6-y)，只需驗(yàn)證f(-2-x)+f(x)=6即可.由f(-2-x)+f(x)=(-2-x)3+3(-2-x)2+(-2-x)+2+x3+3x2+x+2=6，故y=f(x)圖象關(guān)于P對(duì)稱.

評(píng)注 本例實(shí)際上是把高等數(shù)學(xué)中的函數(shù)圖象的“拐點(diǎn)”，用中學(xué)生能夠理解的形式表述出來，這體現(xiàn)著在知識(shí)的接合點(diǎn)命題的思想.

四、函數(shù)的不動(dòng)點(diǎn)

例4 (北京大學(xué)理科實(shí)驗(yàn)班入學(xué)考試題)f(x)的定義域是R，若c∈R使f(c)=c，則稱c是f(x)的一個(gè)不動(dòng)點(diǎn).設(shè)f(x)的不動(dòng)點(diǎn)數(shù)目是有限多個(gè)，下述命題是否正確？若正確，請(qǐng)給予證明；若不正確，請(qǐng)舉一個(gè)例子說明.

?? (1)f(x)是奇函數(shù)，則f(x)的不動(dòng)點(diǎn)數(shù)目是奇數(shù)；(2)f(x)是偶函數(shù)，則f(x)的不動(dòng)點(diǎn)數(shù)目是偶數(shù).

解析 由新定義可知，函數(shù)f(x)的不動(dòng)點(diǎn)個(gè)數(shù)就是函數(shù)y=f(x)與y=x的圖象交點(diǎn)的個(gè)數(shù).由于情境比較陌生，不妨先考慮兩個(gè)特殊函數(shù)(如y=x3及y=1)的情形，顯然y=x3與y=x的圖象有三個(gè)交點(diǎn)，因而猜想(1)正確，進(jìn)而考慮證明它正確；而y=1與y=x的圖象僅有一個(gè)交點(diǎn)，故(2)不正確.

(1)正確.證明如下：∵f(x)為奇函數(shù)，且x∈R,∴f(-0)=-f(0)，即f(0)=0.因此0是f(x)的一個(gè)不動(dòng)點(diǎn).假設(shè)c≠0是f(x)的不動(dòng)點(diǎn)，則由定義知f(c)=c.又因?yàn)閒(x)是奇函數(shù)，所以f(-c)=-f(c)=-c,因此-c也是f(x)的不動(dòng)點(diǎn).顯然c≠-c，這表明f(x)的非0不動(dòng)點(diǎn)如果存在，則必成對(duì).又根據(jù)題設(shè)知f(x)只有有限個(gè)不動(dòng)點(diǎn)，因此f(x)的不動(dòng)點(diǎn)數(shù)目為奇數(shù).

(2)不正確.例如，f(x)=1是偶函數(shù)，設(shè)c是f(x)=1的不動(dòng)點(diǎn)，則一方面f(c)=c，另一方面f(c)=1，由此得c=1.因此f(x)=1有且只有一個(gè)不動(dòng)點(diǎn).故命題不正確.

五、函數(shù)的穩(wěn)定點(diǎn)

例5 對(duì)于函數(shù)f(x)，若f(x)=x，則稱x是f(x)的“不動(dòng)點(diǎn)”;若f(f(x))=x，則稱x是f(x)的“穩(wěn)定點(diǎn)”.函數(shù)f(x)的“不動(dòng)點(diǎn)”和“穩(wěn)定點(diǎn)”的集合分別記為A和B，即A={x|f(x)=x}，B={x|f(f(x))=x}.

(1)求證：A?B;(2)若f(x)=ax2-1(a∈R，x∈R)，且A=B≠?，求實(shí)數(shù)a的取值范圍.

證明 (1)若A=?，則A?B，顯然成立；

若A≠?，設(shè)t∈A，則f(t)=t，f(f(t))=f(t)=t,

即t∈B，從而A?B.

(2)A中元素是方程f(x)=x即ax2-1=x的實(shí)根.

B中元素是方程a(ax2-1)2-1=x，即a3x4-2a2x2-x+a-1=0的實(shí)根.

由A?B知，上述方程左邊含有一個(gè)因式ax2-x-1，即方程可化為(ax2-x-1)(a2x2+ax-a+1)=0

因此要A=B，則方程a2x2+ax-a+1=0①要么沒有實(shí)根，要么實(shí)根是方程ax2-x-1=0②的根.

若①?zèng)]有實(shí)根，則Δ=a2-4a2(1-a)<0，由此解得a<3/4,若①有實(shí)根，則①的實(shí)根是②的實(shí)根，由②有a2x2=ax+a,代入①，有2ax+1=0，由此解得x=-1/2a.

故a的取值范圍是[-1/4，3/4].

C.電容器的電容為kmgd/U2

D.將極板N向下緩慢移動(dòng)一小段距離，油滴將向上運(yùn)動(dòng)

例4 如圖4所示，正三角形abc區(qū)域內(nèi)有勻強(qiáng)磁場(chǎng)，方向垂直于紙面向里，在斜上方有一與邊ac平行的屏.正三角形邊長為L，且ab邊豎直.質(zhì)量為m、電荷量為+q的粒子，以大小為v0的速度與ab邊成30°角垂直射入磁場(chǎng)后從ac穿出，并以與屏成30°角方向打在屏上，不計(jì)粒子所受的重力.則關(guān)于磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的可能值為( ).

例5 有一平行板電容器，內(nèi)部為真空，兩個(gè)極板的間距為d，極板長為L，極板間有一勻強(qiáng)電場(chǎng)，U為兩極板間的電壓，電子從極板左端的正中央以初速度v0射入，其方向平行于極板，并打在極板上的D點(diǎn)，如圖5所示.電子的電荷量用e表示，質(zhì)量用m表示，重力不計(jì).求：(1)電子打到D點(diǎn)時(shí)的動(dòng)能；(2)D點(diǎn)與電子出發(fā)點(diǎn)間的水平距離；(3)電子的初速度必須滿足什么條件，電子才能飛出極板.

解析 (1)設(shè)電子打到D點(diǎn)時(shí)的動(dòng)能為Ek，

(3)設(shè)電子剛好能打到極板邊緣時(shí)的入射初速度為v，L=vt， ⑥

例6 如圖6所示，在半徑為R的圓形區(qū)域內(nèi)有水平向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，圓形區(qū)域右側(cè)距離圓形區(qū)域右邊緣距離為d處有一豎直感光板.圓形區(qū)域上側(cè)有兩塊平行金屬極板，金屬極板上側(cè)有一粒子源，粒子源中可以發(fā)射速度很小的質(zhì)量為m的2價(jià)陽離子(帶電荷量為+2e)，離子重力不計(jì).(1)若離子從圓弧頂點(diǎn)P以速率v0平行于紙面進(jìn)入磁場(chǎng)，求在兩塊平行金屬極板間所加的電壓U；(2)若離子從圓弧頂點(diǎn)P以速率v0對(duì)準(zhǔn)圓心射入，若它剛好從圓形區(qū)域右側(cè)射出，垂直打在豎直感光板上，求圓形區(qū)域內(nèi)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B；(3)若圓形區(qū)域內(nèi)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，離子以某一速度對(duì)準(zhǔn)圓心射入，若它從圓形區(qū)域右側(cè)射出，以與豎直感光板成60°角的速度打在豎直感光板上，求它打到感光板上時(shí)的速度v的大小；(4)若在圓形區(qū)域右側(cè)加上豎直向下的勻強(qiáng)電場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度為E，粒子從圓弧頂點(diǎn)P以速率v0對(duì)準(zhǔn)圓心射入，運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后水平射出磁場(chǎng)，求離子打在MN上的位置距離圓形區(qū)域圓心O的豎直高度h.

G632

B

1008-0333(2016)34-0023-02