设函数 f(x) = x(x-1)(x-2)(x-3),则方程 f'(x) = 0 根的个数为( )A. 1B. 2C. 3D. 4
设函数 $f(x) = x(x-1)(x-2)(x-3)$,则方程 $f'(x) = 0$ 根的个数为( ) A. 1 B. 2 C. 3 D. 4
题目解答
答案
我们来逐步分析并解决这个问题。
题目:
设函数
$f(x) = x(x-1)(x-2)(x-3)$
则方程
$f'(x) = 0$
根的个数为( )
选项:
A. 1
B. 2
C. 3
D. 4
第一步:理解函数的结构
函数 $ f(x) = x(x-1)(x-2)(x-3) $ 是一个 四次多项式函数,可以写成:
$f(x) = (x)(x-1)(x-2)(x-3)$
这是一个 四次多项式,所以它的导数 $ f'(x) $ 是一个 三次多项式。
第二步:导数的次数
我们知道:
- 一个 $ n $ 次多项式函数的导数是一个 $ n-1 $ 次多项式函数。
- 所以 $ f(x) $ 是 4 次多项式,那么 $ f'(x) $ 是 3 次多项式。
- 三次多项式最多有 3 个实根(可以有重复根)。
第三步:分析函数的图像
函数 $ f(x) = x(x-1)(x-2)(x-3) $ 是一个开口向上的四次多项式(因为最高次项是 $ x^4 $,系数为正),它的图像大致如下:
- 它在 $ x = 0, 1, 2, 3 $ 处与 x 轴相交(即有 4 个实数零点)。
- 因此,函数图像在这四个点之间会有上升和下降的变化,即图像会有 局部极大值和极小值。
- 每个局部极值点对应导数为零的点。
第四步:使用罗尔定理(Rolle's Theorem)
我们利用罗尔定理来分析导数的根。
罗尔定理:
如果函数 $ f(x) $ 在区间 $[a, b]$ 上连续,在 $ (a, b) $ 内可导,且 $ f(a) = f(b) $,那么在 $ (a, b) $ 内至少存在一个点 $ c $,使得 $ f'(c) = 0 $。
应用罗尔定理:
函数 $ f(x) $ 在 $ x = 0, 1, 2, 3 $ 处为 0,所以:
- 在区间 $ (0,1) $ 内,至少存在一个点 $ c_1 $,使得 $ f'(c_1) = 0 $
- 在区间 $ (1,2) $ 内,至少存在一个点 $ c_2 $,使得 $ f'(c_2) = 0 $
- 在区间 $ (2,3) $ 内,至少存在一个点 $ c_3 $,使得 $ f'(c_3) = 0 $
因此,导数 $ f'(x) $ 至少有 3 个实根。
第五步:导数的次数限制
因为 $ f'(x) $ 是三次多项式,最多有 3 个实根(包括重根),而我们已经通过罗尔定理证明了它至少有 3 个实根。
所以:
$f'(x) = 0 \text{ 有且仅有 3 个实根}$
最终答案:
$\boxed{C. 3}$
解析
本题考查多项式函数的导数性质以及罗尔定理的应用。解题思路是先确定函数$f(x)$的次数,进而得出其导数$f^\prime(x)$的次数,再结合函数$f(x)$的零点情况,利用罗尔定理确定$f^\prime(x)=0$根的个数。
- 确定函数$f(x)$的次数和导数$f^\prime(x)$的次数:
- 函数$f(x)=x(x - 1)(x - 2)(x - 3)$是一个四次多项式函数。
- 根据多项式求导的性质,一个$n$次多项式函数的导数是一个$n - 1$次多项式函数。所以$f(x)$是$4$次多项式,那么$f^\prime(x)$是$3$次多项式。
- 由于三次多项式最多有$3$个实根(可以有重复根),所以$f^\prime(x)=0$最多有$3$个实根。
- 分析函数$f(x)$的零点:
- 令$f(x)=0$,即$x(x - 1)(x - 2)(x - 3)=0$,解得$x = 0$,$x = 1$,$x = 2$,$x = 3$,所以函数$f(x)$有$4$个实数零点。
- 应用罗尔定理:
- 罗尔定理:如果函数$f(x)$在区间$[a,b]$上连续,在$(a,b)$内可导,且$f(a)=f(b)$,那么在$(a,b)$内至少存在一个点$c$,使得$f^\prime(c)=0$。
- 函数$f(x)$在$x = 0$,$x = 1$,$x = 2$,$x = 3$处的值都为$0$,所以:
- 在区间$(0,1)$内,$f(x)$满足罗尔定理的条件,至少存在一个点$c_1$,使得$f^\prime(c_1)=0$。
- 在区间$(1,2)$内,$f(x)$满足罗尔定理的条件,至少存在一个点$c_2$,使得$f^\prime(c_2)=0$。
- 在区间$(2,3)$内,$f(x)$满足罗尔定理的条件,至少存在一个点$c_3$,使得$f^\prime(c_3)=0$。
- 因此,导数$f^\prime(x)$至少有$3$个实根。
- 确定$f^\prime(x)=0$根的个数:
- 因为$f^\prime(x)$是三次多项式,最多有$3$个实根,而我们已经证明了它至少有$3$个实根,所以$f^\prime(x)=0$有且仅有$3$个实根。