打通函数方程,妙解双参问题

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  [摘 要] 已知二次函数零点所在区间求参数取值范围是一个重要题型,是学生得高分的瓶颈.文章列举一些典型的考题,避开线性规划、分类讨论等常规思路,综合运用方程思想、以值代参、变量归一等方法,给出问题的简洁解法.
  [关键词] 函数零点;以值代参;变量归一
  函数零点是高中数学的一个重要内容,特别是二次函数的零点与方程的根、韦达定理等内容紧密联系,在各级考试中屡见不鲜. 本文结合近期的一些考题,针对二次函数有零点求参数取值范围的这类题型,给出一些简单的解法.
  2017年是浙江省高考改革后的首次文理合卷考试,为此在2016年12月浙江省组织了一次全省范围的模拟考试.这次考题从文字叙述、试题风格都与高考保持高度一致,有相当大的参考价值. 这份试卷填空题的最后一题是这样的:已知函数f(x)=x2 ax b在(0,1)上有两个零点,则3a b的取值范围是________.
  常规解法如下:根据题意,列出a,b所满足的不等式组:
  0<-<1,
  f(0)=b>0,
  f(1)=1 a b>0,
  Δ=a2-4b>0.
  作出不等式组所表示的平面区域(如图1所示)
  根据线性规划原理,当a=-2,b=1时,3a b有最小值-5;当a=b=0时,3a b有最大值0. 所以3a b的取值范围是(-5,0).
  笔者认为此解法虽然常规,但过程比较麻烦,特别是填空题,有小题大做之嫌. 经过探索,发现f(3)=9 3a b,即3a b=f(3)-9.也就是说,要求3a b的取值范围,只要先求出f(3)的取值范围. 如何求f(3)的取值范围是一个难点. 题目的已知条件是二次函数有两个零点,故可设f(x)=(x-x1)(x-x2). 上式即为二次函数的零点式,x1,x2是f(x)的零点.
  于是f(3)=(3-x1)(3-x2),那么我们最后把问题归结为求(3-x1)(3-x2)的取值范围. 因为x1,x2∈(0,1),所以3-x1∈(2,3),3-x2∈(2,3),故f(3)=(3-x1)·(3-x2)∈(4,9). 因此3a b=f(3)-9∈(-5,0).
  上述问题的解决过程关键是把参数a,b的表达式3a b用其他变量(或者是式子)表示出来,使得问题易于解决.
  上述思想在解题中经常用到,比如2017年4月浙江省高中数学竞赛第3题:设f(x)=x2 ax b在[0,1]中有两个实数根,则a2-2b的取值范围是________.
  此题和刚才分析的题目几乎一样,只是最后所求的表達式不同. 有部分命题人是同时参加了这两次考试的命题,笔者猜想命题人好像意犹未尽,又编制了一道相似的题目,像是在暗示我们尽量不要用线性规划原理来解这类题目.
  设方程x2 ax b=0的两个实根为x1,x2∈[0,1],由韦达定理得
  x1 x2=-a,
  x1x2=b,于是a2-2b=(x1 x2)2-2x1x2=x x∈[0,2].
  2017年3月绍兴调测卷命制了一道填空题把这类问题推向深入:已知a,b∈R且0≤a b≤1,函数f(x)=x2 ax b在区间-,0上至少存在一个零点,则a-2b的取值范围是________.
  我们注意到f(1)=1 a b[1,2],如果设m∈-,0使得f(m)=0,即m2 am b=0,我们就得到关于a,b的方程组
  1 a b=f(1),
  m2 am b=0,
  解出a=,进而a-2b=f(1)-3m-1. 因为f(1)∈[1,2],所以
  -3m-1≤a-2b≤-3m-1.
  因为-3m-1=3(1-m) -6≥2-6=0,当m=0时等号取到;又函数y=-3m-1= 3(1-m)-8在-,0上的最大值为1. 综上所述,a-2b的取值范围是[0,1].
  本题的关键就是用f(1)和m表示参数a,b,从而把求a-2b的取值范围转化为求关于m的函数的最值问题.
  再往前追溯,笔者发现在2013年的浙江高中数学竞赛题中就出现了这类问题:已知二次函数f(x)=ax2 (2b 1)x-a-2(a,b∈R,a≠0)在[3,4]上至少有一个零点,求a2 b2的最小值.
  设m是f(x)在[3,4]上的零点,即
  am2 (2b 1)m-a-2=0(*)
  此时发现要把参数a,b表示出来缺少一个条件,我们设想把a2 b2整体用m表示.
  把(*)整理成
  2-m=a(m2-1) 2bm
  应用柯西不等式得
  (m-2)2=[a(m2-1) 2bm]2≤(a2 b2)·[(m2-1)2 4m2]=(a2 b2)(m2 1)2
  于是a2 b2≥≥≥.
  因为y=m-2 4是[3,4]上的减函数,所以上面的不等式在m=3时取到等号. 此时8a 6b 1=0,
  a2 b2=,解出a=-,
  b=-. 故a2 b2的最小值是.
  本题我们用柯西不等式成功地分离出了a2 b2,从而把双参数问题转化为单变量的最值问题.
  从上述各题中看出,运用韦达定理、以值代参、变量归一等手段,可以避免分类讨论,从而快速求出问题的正确答案,提高解题效率.
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