一道函数题的三种解法

来源 :高中生学习·高二文综版 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yinzheng1974
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  数学能力的提高归根结底还是解题能力的提高,一题多解并不是目的,目的是通过思想方法的逐一呈现,从最简单易的方式方法入手,不断优化解题思维品质,从而最终达到提升自身解题的能力.
  例题 已知函数[f(x)=ax3-3x+1]对于[x∈[-1,1]]总有[f(x)=0]成立,则[a]的取值集合为 .
  笔者有意将此题选为本班学生的周测练习,结果做对的同学寥寥无几,大多数人给出的解法如下:
  [∵]方程[f(x)=0]在[x∈[-1,1]]上总成立,
  [∴]函数[f(x)]在[x∈[-1,1]]上必存在零点.
  由函数零点存在性定理得[f(-1)f(1)≤0],
  [∴][a≥4]或[a≤2].
  分析 本题参数[a]的取值集合应为[R],上述范围显然有漏接的情形,造成失误的原因是[f(-1)f(1)≤0]不足以穷尽函数[f(x)]在[[-1,1]]上有零点的所有情况. 例如[f(-1)]与[f(1)]同时取正值,此时若[f(x)]在[[-1,1]]上的极小值为负. 也能说明函数在[[-1,1]]上存在零点,于是本题若要详尽函数[f(x)]在[[-1,1]]上存在零点的情况,则必须研究[f(x)]在[[-1,1]]上的单调性,明确零点存在的数学关系.
  解一(分类讨论) 考虑函数[f(x)]解析式中[x3]前含有参数[a],其正负直接影响的[f(x)]形状,于是从参数[a]的正负分布作为讨论的依据.
  (1)若[a<0]时,[∵f(x)=3ax2-3<0]恒成立,
  [∴f(x)]在[[-1,1]]上单调递减.
  由[f(0)=1>0,f(1)=a-2<0],则必存在唯一[x0∈[0,1]]使[f(x0)=0]满足题意.
  (2)若[a=0]时,[f(x)=-3x+1],易知[x=13]为方程的解,满足题意.
  (3)若[a>0]时,[f(x)=3ax2-3=0?x=±1a.]
  [∴x∈(-∞,-1a)]或[(1a,+∞)],[f(x)]遞增;[x∈(-1a,1a), f(x)]递减,考虑[x∈[-1,1]].
  ①当[1a≥1]即[0  由[[-1,1]?(-1a,1a)]知,[f(x)]在[[-1,1]]上递减.
  又由[f(0)=1>0,f(1)=a-2<0]知,必存在[x0∈[0,1]]使[f(x0)=0]满足题意.
  ②若[1a<1],即[a>1]时,
  由[(-1a,1a)?[-1,1]]知,
  [x∈(-1,-1a)]或[(1a,1)][f(x)]递增,
  [x∈(-1a,1a),f(x)]递减.
  而[f(-1)=4-a,][f(-1a)=2a+1>0],[f(1a)][=1-2a],[f(1)=a-2]上述四个值中有三个正负值不确定,因此其取值情况成为讨论的标准.
  以[f(-1)]的正负作为讨论依据:
  若[f(-1)≤0]即[a≥4]时,由[f(-1)≤0,][f(-1a)>0]知,必存在[x0∈[-1,-1a]]使[f(x0)=0]满足题意.
  若[f(-1)>0]即[1  综上:[a∈R],方程[f(x)=0]在[x∈[-1,1]]上总有实根.
  点拨 上述解法思路自然,很多人也是这样处理的,但最终都无功而返. 究其原因主要是当参数[a>0]时,区间端点值[f(±1)]与极值[f(1a)]的正负不确定,而再次分类的标准把握混乱,最终导致[f(x)]在[x∈[-1,1]]上的函数性质无法捕捉,不得已而放弃.
  既然代数的直面处理如此繁难,本题可否采用几何的方式来处理呢?
  解二(数形结合) 由[f(x)=0]在[x∈[-1,1]]上有解可得,[ax3=3x-1]在[x∈[-1,1]]上有解. 记[h(x)=ax3,g(x)=3x-1],则上述问题等价于[h(x)]与[g(x)]的函数图象在[x∈[-1,1]]上有交点,如图所示:
  当[a<0]时,交点横坐标在[(0,1)]内,满足题意(如图一).
  当[a=0]时,显然[x=13]为方程的解.
  当[0  当[a=4]时,此时[h(x)]图像过点[(-1,-4)]并切于右侧点[(12,12)]处,满足题意(如图三).
  当[a>4]时,交点横坐标在[(-1,0)]内,满足题意(如图四).
  点拨 上述解法化代数的抽象为几何的直观,通过研究参数[a]取值的变化所反映出两函数图象交点的状态,清晰呈现了方程的解即为图象交点的横坐标这一几何形态.
  无论是解法一还是解法二始终都绕不开参数[a]对问题后续研究的制约,有没有一种方式可以有效避开参数[a]呢?
  解三(等价转化) 由[f(x)=0]得[ax3=3x-1],若[x=0]时上述方程显然不成立.
  当[x≠0]时,[a=3x-1x3=-(1x)3+3(1x)2],于是问题转化为将[a]视作[x]的函数,即求函数值域的问题.令[t=1x]则[a=-t3+3t2][(t≥1]或[t≤-1)]易求[a]的值域为[R].
  点拨 当一个问题的表面看起来很复杂时,能否利用与其对应的等价命题来处理就显得难能可贵了,本题利用方程有解问题等价于视作的函数求值域问题,大大优化了解题过程,值得回味.
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