本题导读
本题考查分段函数的图像与性质,以及三角函数的零点。
📌【题干】
Question
(2021年天津卷)9.设 ,函数
若 在区间 内恰有 6 个零点,则 的取值范围是( )
A. B.
C. D.
🔍【思路分析】
破题导航
处理此类“分段函数零点个数”问题,基本策略是**“分而治之,再行组合”**:
分析各段的最大零点数:
下半段是二次函数 ,一个二次方程最多只有 2 个 实数根。
题目要求在 内总共有 6 个零点,因此上半段(三角函数部分)至少需要提供 4 个 零点。
探究三角函数段()的零点分布:
令 ,解出 的通项公式(含整数 )。
结合定义域 ,求出 的范围,从而推导出包含 4 个、5 个、6 个零点时对应的 的范围。
探究二次函数段()的零点分布:
- 结合判别式 、对称轴 和端点值 ,分类讨论该二次函数在 上有 0 个、1 个、2 个零点时参数 的取值范围。
组合与筛选:
要凑齐 6 个零点,可能的组合有:“4 + 2”、“5 + 1” 或 “6 + 0”。
将上述两部分的结论进行交集运算,最终并起来即可得到答案。
✅【答案】
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A
✍【详细解析】
Abstract
第一步:整体拆分与定性分析
因为对于二次方程 而言,最多只有 2 个根,
要使总函数在 内恰有 6 个零点,则当 时,方程 至少要有 4 个根。
第二步:分析三角函数段()的零点
令 ,则有:
解得:
因为零点必须在区间 内(题目要求 且该段定义为 ),所以:
两边同时减去 ,并乘以 ,得到关于整数 的范围:
由于 是整数,且 ,所以 的最大取值为 。
根的个数取决于区间 内包含了多少个负整数。
若有 4个零点( 取 ),则须满足 ,解得 ;
若有 5个零点( 取 ),则须满足 ,解得 ;
若有 6个零点( 取 ),则须满足 ,解得 。
第三步:分析二次函数段()的零点
设 。
首先计算判别式:
其次观察对称轴:,由于 恒成立,所以对称轴始终在区间 的内部。
再计算端点值:。
接下来分类讨论根在 上的个数:
无零点 (0个根):;
有 1 个零点:
恰有 1 个等根:(此时根为 ,满足条件);
有 2 个异根,但只有一个在 内:由于对称轴在 的右侧,要使只有一个根在 ,必须满足端点值 。
综合得: 或 。
有 2 个零点:需要满足 且 。
综合得:。
第四步:组合讨论,总计 6 个零点
要使总零点数为 6,只有以下三种搭配方式:
情形一:上半段 4个 + 下半段 2个
情形二:上半段 5个 + 下半段 1个
情形三:上半段 6个 + 下半段 0个
综上所述, 的取值范围是 。
故选:A。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
含参三角函数零点问题:遇到 求解根的个数时,核心手法是将内层角作为一个整体,求出其表达式,进而写出 的通项公式(带整数 ),然后将 代入定义域限制区间,转化为对整数 的个数的讨论。这是解决此类问题屡试不爽的通法。
二次函数根的分布(闭区间/半开区间):判断二次方程在特定区间内的根数,必须牢记“三板斧”:① 判别式 ;② 对称轴的位置;③ 区间端点函数值的正负(端点效应)。本题中由于对称轴 必然大于端点 ,大大简化了讨论的复杂性。
分段组合思想:总条件拆分成若干个子条件的排列组合,分别计算后再取交集与并集,体现了数学中严密的逻辑划分能力。在书写草稿时,画一个表格(如左列列出一段的根数,右列列出另一段的根数)可以有效避免遗漏。
📖【试题探源与推广】
Tip
本题融合了高中数学中两个非常经典且易错的“根的分布”模型,在此进行系统化梳理,建议作为公式库熟记:
若要求解 在区间 内的零点个数,标准流程如下:
换元化简:令 ,根据 求出 的取值范围,设为 。
寻找特殊值:因为 的根为 ,问题转化为求有多少个 落在了区间 内。
解不等式求整:建立不等式 ,解出 的取值范围,其中的整数解的个数即为零点的个数。
对于二次函数 ,探讨其在区间 上的零点个数:
有两个不相等的实数根均在 内,需同时满足:
(保证有两根)
(对称轴在区间内)
(端点函数值大于0,把根“逼”进区间)
仅有一个实数根在 内(另一根在区间外),最常见的情况是:
(此时无需看 和对称轴,根据连续函数零点定理,必定有一根在 内,另一根在 内)。
(注意特例:若另一根恰好为 ,则 ,需单独检验剩余一根是否大于 ;若为两相等实根,则回到 的讨论)。
在本题的“第三步”中,正是严格遵循了这一套逻辑对 这一半开区间进行了无遗漏的分类讨论。
🔗【关联脉络】
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