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函数的零点

函数的零点是使 f(x)=0 的输入 x。在图像上,它对应曲线与横轴的交点;在方程中,它就是解。找零点时常先判断存在,再判断有几个,最后才考虑怎样近似计算。

异号端点与连续性

求方程 x2−2=0 的正解。令 f(x)=x2−2,有 f(1)=−1、f(2)=2。多项式在闭区间 [1,2] 连续,因此由介值定理,中间至少存在一个零点。这里同时用了连续和两端异号;缺少连续性时,符号跳过零也可能发生。

若只问正零点是否唯一,还要再加一条理由。对 0≤x1<x2,x22−x12=(x2−x1)(x2+x1)>0,所以 x2−2 在非负半轴严格递增,不可能有两个不同的正零点。存在性与唯一性来自不同论证。

端点同号不能断言没有根

g(x)=x2 在 [−1,1] 的两个端点都为正,零处仍有零点。端点异号是保证连续函数至少有一个零点的充分条件,不是必要条件。反过来,h(x)=1/x 在 −1 与 1 处异号,却在 0 处没有函数值;它不满足整个闭区间连续的前提,所以不能用介值定理。

图像可以提示零点可能在哪些区间,但画图的像素或表格的有限采样无法保证所有零点都被找到。对二次函数,可先用判别式判断实根数;对一般连续函数,若找到异号区间,二分法能把至少一个零点逐步夹紧。

从方程走向可核验的近似

对 f(x)=x2−2,区间 [1,2] 的中点 1.5 满足 f(1.5)=0.25>0,于是零点保留在 [1,1.5];新中点 1.25 满足 f(1.25)=−0.4375<0,保留 [1.25,1.5]。每一步不仅给一个小数,还给一个肯定包含根的区间。若要求所有零点,还应另查负半轴;同一方程还有 −2。

练习:p(x)=x2+1 在实数中有没有零点?任意实数 x 都有 x2≥0,所以 p(x)≥1>0,没有实零点。几个采样点为正只是观察,这个对所有输入成立的不等式才是证明。

参考资料