Skip to main content
返回术语表
functions难度:基础functionsquadraticparabola
Share

二次函数èrcì hánshù

квадратичная функция
5 分钟阅读
更新于 2025-01-24
已完成

Основное понятие

Квадратичная функция -- это многочлен второй степени:

f(x)=ax2+bx+c(a0)f(x) = ax^2 + bx + c \quad (a \neq 0)

где aa, bb, cc -- постоянные и a0a \neq 0.

Три формы записи

ФормаВыражениеКлючевая особенность
Общая формаy=ax2+bx+cy = ax^2 + bx + cПоказывает точку пересечения с осью y: cc
Каноническая формаy=a(xh)2+ky = a(x-h)^2 + kПоказывает вершину (h,k)(h, k)
Факторизованная формаy=a(xx1)(xx2)y = a(x-x_1)(x-x_2)Показывает корни x1,x2x_1, x_2

Вершина

Вершина -- это наивысшая или наинизшая точка параболы.

Координаты вершины

h=b2a,k=4acb24ah = -\frac{b}{2a}, \quad k = \frac{4ac - b^2}{4a}

Или эквивалентно: k=f(h)=f(b2a)k = f(h) = f\left(-\frac{b}{2a}\right)

Каноническая форма

f(x)=a(xh)2+kf(x) = a(x - h)^2 + k

где (h,k)(h, k) -- вершина параболы.

Свойства графика

Направление ветвей

  • a>0a > 0: Парабола направлена вверх (U-образная), вершина -- минимум
  • a<0a < 0: Парабола направлена вниз (∩-образная), вершина -- максимум

Ось симметрии

x=b2a=hx = -\frac{b}{2a} = h

Парабола симметрична относительно этой вертикальной прямой.

Точка пересечения с осью Y

Точка пересечения с осью y находится в (0,c)(0, c), при подстановке x=0x = 0.

Нули функции (точки пересечения с осью X)

Находятся решением уравнения ax2+bx+c=0ax^2 + bx + c = 0. Дискриминант Δ=b24ac\Delta = b^2 - 4ac определяет:

  • Δ>0\Delta > 0: Два различных корня
  • Δ=0\Delta = 0: Один корень (вершина касается оси x)
  • Δ<0\Delta < 0: Нет действительных корней

Монотонность

При a>0a > 0:

  • Убывает на (,h](-\infty, h]
  • Возрастает на [h,+)[h, +\infty)

При a<0a < 0:

  • Возрастает на (,h](-\infty, h]
  • Убывает на [h,+)[h, +\infty)

Область значений

При a>0a > 0:

Область значений=[k,+)\text{Область значений} = [k, +\infty)

При a<0a < 0:

Область значений=(,k]\text{Область значений} = (-\infty, k]

Практические задачи CSCA

💡 Примечание: Следующие задачи составлены в соответствии с программой экзамена CSCA.

Пример 1: Базовый уровень (Сложность ★★☆☆☆)

Найдите вершину функции f(x)=x26x+5f(x) = x^2 - 6x + 5.

Решение:

Способ 1 (Формула): h=62(1)=3h = -\frac{-6}{2(1)} = 3 k=f(3)=918+5=4k = f(3) = 9 - 18 + 5 = -4

Способ 2 (Выделение полного квадрата): f(x)=(x26x+9)9+5=(x3)24f(x) = (x^2 - 6x + 9) - 9 + 5 = (x-3)^2 - 4

Ответ: Вершина -- (3,4)(3, -4)


Пример 2: Средний уровень (Сложность ★★★☆☆)

Найдите область значений f(x)=x2+4x1f(x) = -x^2 + 4x - 1 на [0,3][0, 3].

Решение:

Выделяем полный квадрат: f(x)=(x24x)1=(x2)2+41=(x2)2+3f(x) = -(x^2 - 4x) - 1 = -(x-2)^2 + 4 - 1 = -(x-2)^2 + 3

Вершина в (2,3)(2, 3), парабола направлена вниз.

Так как 2[0,3]2 \in [0, 3], максимум в вершине: f(2)=3f(2) = 3

Проверяем концы отрезка:

  • f(0)=1f(0) = -1
  • f(3)=9+121=2f(3) = -9 + 12 - 1 = 2

Минимум равен f(0)=1f(0) = -1.

Ответ: Область значений [1,3][-1, 3]


Пример 3: Продвинутый уровень (Сложность ★★★★☆)

Если f(x)=x22ax+af(x) = x^2 - 2ax + a имеет минимальное значение 2-2 на [0,2][0, 2], найдите aa.

Решение:

f(x)=(xa)2+aa2f(x) = (x-a)^2 + a - a^2, вершина в (a,aa2)(a, a-a^2).

Случай 1: a<0a < 0 (вершина левее отрезка) Минимум при x=0x = 0: f(0)=a=2f(0) = a = -2 Проверка: вершина в (2,24)=(2,6)(-2, -2-4) = (-2, -6), но f(0)=26f(0) = -2 \neq -6. ✓ Значит, a=2a = -2 подходит.

Случай 2: 0a20 \leq a \leq 2 (вершина внутри отрезка) Минимум в вершине: aa2=2a - a^2 = -2 a2a2=0a^2 - a - 2 = 0 (a2)(a+1)=0(a-2)(a+1) = 0 a=2a = 2 или a=1a = -1 Только a=2a = 2 принадлежит [0,2][0, 2]. Проверка: f(x)=(x2)2f(x) = (x-2)^2, минимум при x=2x=2 равен 020 \neq -2. ✗

Случай 3: a>2a > 2 (вершина правее отрезка) Минимум при x=2x = 2: f(2)=44a+a=43a=2f(2) = 4 - 4a + a = 4 - 3a = -2 a=2a = 2, противоречит a>2a > 2. ✗

Ответ: a=2a = -2


Пример 4: Продвинутый уровень (Сложность ★★★★☆)

Найдите все значения mm, при которых f(x)=x2mx+1>0f(x) = x^2 - mx + 1 > 0 для всех xRx \in \mathbb{R}.

Решение:

Чтобы f(x)>0f(x) > 0 для всех xx, парабола должна быть направлена вверх (✓, a=1>0a = 1 > 0) и не иметь действительных корней.

Для этого необходимо Δ<0\Delta < 0: Δ=m24(1)(1)=m24<0\Delta = m^2 - 4(1)(1) = m^2 - 4 < 0 m2<4m^2 < 4 2<m<2-2 < m < 2

Ответ: m(2,2)m \in (-2, 2)

Преобразование между формами

Из общей формы в каноническую

Дано f(x)=ax2+bx+cf(x) = ax^2 + bx + c:

  1. Вынесем aa из первых двух слагаемых: f(x)=a(x2+bax)+cf(x) = a(x^2 + \frac{b}{a}x) + c
  2. Выделим полный квадрат: f(x)=a(x+b2a)2b24a+cf(x) = a(x + \frac{b}{2a})^2 - \frac{b^2}{4a} + c
  3. Упростим: f(x)=a(xh)2+kf(x) = a(x - h)^2 + k, где h=b2ah = -\frac{b}{2a}, k=cb24ak = c - \frac{b^2}{4a}

Из канонической формы в общую

Дано f(x)=a(xh)2+kf(x) = a(x-h)^2 + k:

Раскроем скобки: f(x)=ax22ahx+ah2+kf(x) = ax^2 - 2ahx + ah^2 + k

Следовательно, b=2ahb = -2ah и c=ah2+kc = ah^2 + k.

Типичные ошибки

❌ Ошибка 1: Неправильный знак в формуле вершины

Неверно: h=b2ah = \frac{b}{2a}

Верно: h=b2ah = -\frac{b}{2a}

❌ Ошибка 2: Игнорирование области определения при нахождении области значений

Неверно: Область значений f(x)=x2f(x) = x^2 на [1,3][1, 3] равна [0,+)[0, +\infty)

Верно: На [1,3][1, 3] минимум равен f(1)=1f(1) = 1, поэтому область значений [1,9][1, 9]

❌ Ошибка 3: Неправильное определение положения вершины

При ограниченной области определения вершина может находиться вне этой области. Проверьте, находится ли вершина внутри, левее или правее отрезка.

Советы по подготовке

  1. Освойте выделение полного квадрата: Необходимо для нахождения вершины
  2. Знайте три случая: Вершина внутри, левее или правее отрезка
  3. Используйте дискриминант: Для задач о пересечениях с осью x
  4. Рисуйте эскизы: Визуализация параболы помогает избежать ошибок

💡 Совет для экзамена: В задачах с ограниченной областью определения сначала определите положение вершины относительно отрезка, затем проверьте концы. Экстремальные значения достигаются либо в вершине (если она внутри области), либо на концах!