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functions难度:基础functionsquadraticparabola
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二次函数èrcì hánshù

quadratic function
5 分钟阅读
更新于 2025年1月24日
已完成

核心概念

二次函数是次数为 2 的多项式函数:

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

其中 aa、bb、cc 是常数且 a≠0a \neq 0。

三种形式

形式表达式关键特征
一般式y=ax2+bx+cy = ax^2 + bx + c显示 y 截距 cc
顶点式y=a(x−h)2+ky = a(x-h)^2 + k显示顶点 (h,k)(h, k)
两根式y=a(x−x1)(x−x2)y = a(x-x_1)(x-x_2)显示 x 截距 x1,x2x_1, x_2

顶点

顶点是抛物线的最高点或最低点。

顶点坐标

h=−b2a,k=4ac−b24ah = -\frac{b}{2a}, \quad k = \frac{4ac - b^2}{4a}

或等价地:k=f(h)=f(−b2a)k = f(h) = f\left(-\frac{b}{2a}\right)

顶点式

f(x)=a(x−h)2+kf(x) = a(x - h)^2 + k

其中 (h,k)(h, k) 是顶点。

图像性质

开口方向

  • a>0a > 0:抛物线开口向上(U形),顶点是最小值点
  • a<0a < 0:抛物线开口向下(∩形),顶点是最大值点

对称轴

x=−b2a=hx = -\frac{b}{2a} = h

抛物线关于这条垂直线对称。

Y截距

Y截距为 (0,c)(0, c),令 x=0x = 0 即可得到。

X截距(根)

解方程 ax2+bx+c=0ax^2 + bx + c = 0 得到。判别式 Δ=b2−4ac\Delta = b^2 - 4ac 决定:

  • Δ>0\Delta > 0:两个不同的 x 截距
  • Δ=0\Delta = 0:一个 x 截距(顶点与 x 轴相切)
  • Δ<0\Delta < 0:无 x 截距

单调性

当 a>0a > 0 时:

  • 在 (−∞,h](-\infty, h] 上递减
  • 在 [h,+∞)[h, +\infty) 上递增

当 a<0a < 0 时:

  • 在 (−∞,h](-\infty, h] 上递增
  • 在 [h,+∞)[h, +\infty) 上递减

值域

当 a>0a > 0 时:

值域=[k,+∞)\text{值域} = [k, +\infty)

当 a<0a < 0 时:

值域=(−∞,k]\text{值域} = (-\infty, k]

CSCA练习题

💡 注:以下练习题基于CSCA考试大纲设计。

例题1:基础题(难度 ★★☆☆☆)

求 f(x)=x2−6x+5f(x) = x^2 - 6x + 5 的顶点。

解法:

方法1(公式法): h=−−62(1)=3h = -\frac{-6}{2(1)} = 3 k=f(3)=9−18+5=−4k = f(3) = 9 - 18 + 5 = -4

方法2(配方法): f(x)=(x2−6x+9)−9+5=(x−3)2−4f(x) = (x^2 - 6x + 9) - 9 + 5 = (x-3)^2 - 4

答案:顶点为 (3,−4)(3, -4)


例题2:中级(难度 ★★★☆☆)

求 f(x)=−x2+4x−1f(x) = -x^2 + 4x - 1 在 [0,3][0, 3] 上的值域。

解法:

配方: f(x)=−(x2−4x)−1=−(x−2)2+4−1=−(x−2)2+3f(x) = -(x^2 - 4x) - 1 = -(x-2)^2 + 4 - 1 = -(x-2)^2 + 3

顶点为 (2,3)(2, 3),抛物线开口向下。

因为 2∈[0,3]2 \in [0, 3],最大值在顶点处:f(2)=3f(2) = 3

检验端点:

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

最小值为 f(0)=−1f(0) = -1。

答案:值域为 [−1,3][-1, 3]


例题3:高级(难度 ★★★★☆)

若 f(x)=x2−2ax+af(x) = x^2 - 2ax + a 在 [0,2][0, 2] 上的最小值为 −2-2,求 aa。

解法:

f(x)=(x−a)2+a−a2f(x) = (x-a)^2 + a - a^2,顶点为 (a,a−a2)(a, a-a^2)。

情形1:a<0a < 0(顶点在区间左侧) 最小值在 x=0x = 0 处:f(0)=a=−2f(0) = a = -2 验证:顶点为 (−2,−2−4)=(−2,−6)(-2, -2-4) = (-2, -6),但 f(0)=−2≠−6f(0) = -2 \neq -6。✓ 所以 a=−2a = -2 成立。

情形2:0≤a≤20 \leq a \leq 2(顶点在区间内) 最小值在顶点处:a−a2=−2a - a^2 = -2 a2−a−2=0a^2 - a - 2 = 0 (a−2)(a+1)=0(a-2)(a+1) = 0 a=2a = 2 或 a=−1a = -1 只有 a=2a = 2 在 [0,2][0, 2] 内。验证:f(x)=(x−2)2f(x) = (x-2)^2,在 x=2x=2 处最小值为 0≠−20 \neq -2。✗

情形3:a>2a > 2(顶点在区间右侧) 最小值在 x=2x = 2 处:f(2)=4−4a+a=4−3a=−2f(2) = 4 - 4a + a = 4 - 3a = -2 a=2a = 2,与 a>2a > 2 矛盾。✗

答案:a=−2a = -2


例题4:高级(难度 ★★★★☆)

求使 f(x)=x2−mx+1>0f(x) = x^2 - mx + 1 > 0 对所有 x∈Rx \in \mathbb{R} 成立的 mm 的取值范围。

解法:

要使 f(x)>0f(x) > 0 对所有 xx 成立,抛物线必须开口向上(✓,a=1>0a = 1 > 0)且无 x 截距。

这要求 Δ<0\Delta < 0: Δ=m2−4(1)(1)=m2−4<0\Delta = m^2 - 4(1)(1) = m^2 - 4 < 0 m2<4m^2 < 4 −2<m<2-2 < m < 2

答案:m∈(−2,2)m \in (-2, 2)

形式转换

一般式转顶点式

已知 f(x)=ax2+bx+cf(x) = ax^2 + bx + c:

  1. 从前两项提出 aa:f(x)=a(x2+bax)+cf(x) = a(x^2 + \frac{b}{a}x) + c
  2. 配方:f(x)=a(x+b2a)2−b24a+cf(x) = a(x + \frac{b}{2a})^2 - \frac{b^2}{4a} + c
  3. 化简:f(x)=a(x−h)2+kf(x) = a(x - h)^2 + k,其中 h=−b2ah = -\frac{b}{2a},k=c−b24ak = c - \frac{b^2}{4a}

顶点式转一般式

已知 f(x)=a(x−h)2+kf(x) = a(x-h)^2 + k:

展开:f(x)=ax2−2ahx+ah2+kf(x) = ax^2 - 2ahx + ah^2 + k

所以 b=−2ahb = -2ah,c=ah2+kc = ah^2 + k。

常见错误

❌ 错误1:顶点公式符号错误

错误:h=b2ah = \frac{b}{2a} ✗

正确:h=−b2ah = -\frac{b}{2a} ✓

❌ 错误2:求值域时忽略定义域

错误:f(x)=x2f(x) = x^2 在 [1,3][1, 3] 上的值域是 [0,+∞)[0, +\infty) ✗

正确:在 [1,3][1, 3] 上,最小值为 f(1)=1f(1) = 1,所以值域是 [1,9][1, 9] ✓

❌ 错误3:顶点位置判断错误

当定义域受限时,顶点可能在定义域之外。要检查顶点在区间内部、左侧还是右侧。

学习要点

  1. ✅ 掌握配方法:求顶点的关键
  2. ✅ 熟记三种情形:顶点在区间内、左侧或右侧
  3. ✅ 善用判别式:处理与 x 轴交点问题
  4. ✅ 画草图:直观展示抛物线避免错误

💡 考试要点:处理限定定义域的问题时,先确定顶点相对于定义域的位置,再检验端点。极值要么在顶点(若在定义域内)要么在端点处取得!

相关练习

巩固所学知识,通过练习加深理解