本题导读
本题考查函数的奇偶性与对称性,以及函数的周期性。
📌【题干】
Question
(2012年辽宁卷(理)) 设函数 满足 , ,且当 时, . 又函数 ,则函数 在 上的零点个数为 ()
A. 5 B. 6 C. 7 D. 8
🔍【思路分析】
破题导航
- 解构函数 的几何特征(代数推导性质):
- 由 知, 是偶函数,其图象关于 轴(直线 )对称。
- 由 知, 的图象关于直线 对称。
- 综合“偶函数”与“关于 对称”,利用公式 可推导出该函数具有以 为周期的周期性。
- 零点转化与分段作图:
- 函数 。零点个数即为两函数图象在给定区间 内的交点个数。
- 依据周期性与对称性,精确写出 在目标区间各分段上的代数解析式并构思图象。
- 拆分绝对值函数 ,找出其关键零点及最高、最低极值变化趋势。
- 数形结合,精准卡位计数:
- 将两曲线绘制在同一坐标系中,通过边界点、极值点的代数大小对比,精准判定两曲线在每一个局部区间内的交点状态。
✅【答案】
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B
✍【详细解析】
Abstract
第一步:推导函数 的性质与区间表达式
因为 ,所以 为偶函数。 因为 ,所以 恒成立,即 是以 为周期的周期函数。
题目已知当 时, 。 根据对称性与周期性,我们可以写出 在目标区间 各段的解析式:
当 时:根据偶函数性质 ,由于 ,故 。
当 时:根据关于 对称性质 ,当 时, ,故 。
第二步:分析函数 的特征
由于 整体加了绝对值,故在全实数域内恒有 。 在目标区间 内,寻找 的根(即与 轴的交点): 在区间 内, 的零点为: 。
第三步:分段讨论两函数图象的交点个数
目标区间可被 的零点自然切分为三个子闭区间,通过数形结合法分类判定:
① 在区间 上:
- 对于 :当 时, ;当 时, 。此段表现为严格单调递减凹曲线。
- 对于 :在该区间内 ,而 ,故 。 测试端点: ; 。 在区间内部 , 且 。 因为 ,所以 是两图象的 1 个交点。 另外,由于 ,而在区间内部如取 , ,而 ,显现有 。 根据连续函数的零点存在性定理(介值定理),由于两曲线在区间两端的大小关系发生颠倒,两曲线在开区间 内必有 1 个交点。 本段共 2 个交点。
② 在区间 上:
- 此时 且 ,故 ; 。
- 因为 (已在上一段计入,不重复计数)。
- 测试右端点: ; 。
- 在开区间 内,两式同除以 ,等价于比较 与 的大小。 当 时, ; 当 时, 。 由于单调性相反(余弦递减,平方递增),两曲线在开区间 内必有且仅有 1 个交点。 本段共 1 个交点。
③ 在区间 上:
- 此时 ,故 ; 。
- 测试左端点: , 。
- 测试右端点: , 。
- 故 是两图象的 1 个交点。
- 在开区间 内,两式同除以 ,等价于比较 与 。 在这一段,随着 增大, 靠近 , 从 0 减小到 ,从而 从 0 单调递增到 1。而 亦从 单调递增到 1。 两端点情况:起点处 ;终点处二者在 处完美交汇于 1。 由于在该区间内,余弦增长率在后期极快,中间过程曲线必然发生交错突围(如取 , ,而 ,此时 )。 因为中间阶段反超,最终又在端点收拢,所以在开区间 内必有 1 个交点。 本段共 2 个交点。
④ 在区间 上:
- 此时 ,故 ; 。
- 此时 已计入,测试右端点: ; 。
- 分析单调性规律:在该区间内,随着 从 1 增到 , 属于严格单调递减(从 1 跌到 )。 而 ,其分量 为负, 从 增到 0,相乘后 从 1 严格单调递减到 0。 在起点端 。由于在整个区间内, ,且通过导数分析可知在该段内 的下坠速度比三次幂函数更快(即 恒成立), 因此在开区间 内没有交点。 本段共 1 个交点(仅为端点 )。
综上交点总数累计:
故选 B#### 💡【考点归纳与避坑指南】 [!danger]
- 核心考点:抽象函数的周期对称性互推、复合绝对值函数的变号分段、介值定理在交点判定中的精准卡位。
- 核心方法:数形结合法与特殊点代值反超法。对于超越方程根的个数问题,盲目代数联立是行不通的,必须画出精确的趋势图,并选取如 等关键特殊点进行函数值大小比对,判定曲线是否存在“反超”现象。
- 避坑指南:
- 极易在第③段 漏算交点。因为两端点处均有 ,很多同学直观误认为曲线在中间不会相交。必须通过带入 的代数计算,发现中间阶段 ,从而惊觉曲线必然在中间发生了“先超过去、再退回来”的 2 次跨越(算上端点)。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 试题探源:本题源于人教A版高中数学选择性必修第一册第五章《三角恒等变换》与选择性必修第二册第四章《导数及其应用》交汇的高考理科压轴第一大填选题。
- 结论推广:本题代数模型在现代信号处理中对应着典型的窗函数包络调制(Envelope Modulation)。函数 本质上是以线性函数 作为边界外壳、内部由高频余弦波震荡填充的调幅信号。由于高频波在向零点收拢时收缩剧烈,而抛物线 在接近 1 时斜率陡增,二者的相互竞速必然会在交界各周期内产生特异性的交点。牢记本题中通过关键点 校验波形反超的思维模型,能让我们在面对类似“三角函数 幂函数”根个数问题时做到零失误。
🔗【关联脉络】
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