二次函数比一次函数要略微复杂一些。
先回顾一元二次方程。
例:
(一)解一元二次方程:
这个方程有两个解法:凑多项式和凑平方
1.用凑多项式的方法:
=2,
=-1
2.用凑平方的方法:
因此 :
又因为:
所以有
-1/2=3/2
=2
-1/2=-3/2
=-1
3.套用一元二次方程求根公式:
x=(-b±
)/2a
代入a=1,b=-1,c=-2可得解。
(二)回顾一元二次方程的求解方法。
在解方程前,首先用公式判断方程是否有解:
时有两个不同的解
时有一个解(或者说两个解相同)
时无解
2.1凑多项式法
这个方法的优点在于用起来非常快,缺点在于不能用于所有的一元二次方程。
用这种解法需要对数字有一定的敏感性,通常是心算对c进行因式分解,根据b和c的正负号,将其分为和或差为b的两个因子。这种敏感性可以通过大量做题来培养,但并不是必要的。
2.2凑平方法
这个解法是一元二次方程的通用解法,是求根公式、根的判别式的来源。
其原理为:
(1)先把常数项c移到等式右边,两边同时除以a得:
(2)再利用和平方的展开公式:
(3)根据二次项系数a和一次项系数求出
,因此需要配方的常数项
然后等式两边同时加上
:
(4)进一步变化为:
(5)因此:
(6)求得:
)
根据方程的求解公式可以得到:
这两个公式非常容易推导,把两个根相加和相乘就可以,没有必要专门记忆,但是牢记的话会使解一些题目变得方便。
特别的,在判断方程是否有解时,用到(4)的等式:
左边是平方项,必然≥0
右边=
当
时,左边括号里有2种可能,分别为正的和负的,所以有2个解。
当
时,左边只能等于0
当
时,等式不可能成立,无解。
一元二次方程的内容就这些,必须要非常熟练地掌握,做到看到方程就自动反应出求根公式并代入数字,对于两个根都是整数的要能马上口算求解。
接下来开始进入二次函数
二次函数
把一元二次方程=0的那边,换成f(x)就得到了二次函数:
下面是一元二次方程
的图像,有个直观理解:
f(x)=x^2-x-2
现在我们来研究二次函数
为了方便起见,我们要用另一种方式来表示二次函数
它展开就是:
与:
相比较,可以看出p和q的取值分别为:
现在我们正式开始研究二次函数
(一)单调性
当x>p时,x-p>0,
随着x增加而增加
当x<p时,x-p<0,
随着x增加而减小
q是常数,对增减性无影响
现在就看a的了
当a>0,
增大时函数也增大,
减小时函数也减小
函数在(-∞,p)上递减,在(p,+∞)上递增。
当a<0,
增大时函数反过来减小,
减小时函数反过来增大
函数在(-∞,p)上递增,在(p,+∞)上递减。
现在证明:
,当a>0时,在(p,+∞)是递增的
且
,有:
因为,所以
因为,所以
>0
因为a>0
所以>0
所以>0
所以f(x)在(p,+∞)是递
练习一:请证明当a<0时,f(x)在(-∞,p)是递增的,在(p,+∞)是递减的
二次函数的最大值与最小值
当a>0时,由于函数在(-∞,p)递减,在(p,+∞)递增。可以得知,x=p时,是函数的最小值为q
当a<0时,由于函数在(-∞,p)递增,在(p,+∞)递减。可以得知,x=p时,是函数的最大值为q
现在来看个具体例子:
(红色) 和
(绿色)
首先:
当x>2时,
是递增的
当x<2时,
是递减的
因此可以从图上看出,x=2是这两个函数图像增减性的分割线
还可以从图上看出:
f(x)的a=2,它的开口是向上的,
递增时函数值也递增,
递减时函数值也递减,f(x)在x=2时是它的最小值,f(2)=3
g(x)的a=-2,它的开口是向下的,
递增时函数值反过来递减,
递减时函数值反过来递增,f(x)在x=2时是它的最大值,f(2)=3
从感性上也很好理解,前面多了个负号,绝对值越大,值越小。
练习二:请求解下列函数的单调区间
(二)对称性
对二次函数:
当p=0时,函数为:
,它的对称轴是x=0(即y轴),是偶函数。
证明很简单:对任意的x,
,得证。
从(一)单调性中的图可以很直观地看出。
一般的,二次函数:
都有对称轴x=p,函数图像关于直线x=p镜面对称
也就是说任取一对数字
和
只要
(p是
和
的中点),都有
证明如下:
得证。
(三)函数的平移变换
我们来比较几个函数:
f(x)是最基本的二次函数,我实在想不出比它更简单的了。当x<0时它递减,当x>0时它递增。它取最小值的点为(0,0)(原点),它的对称轴为x=0(y轴)。
g(x)比f(x)稍微复杂了些。当x<p时它递减,当x>p时它递增。它取最小值的点为(p,0),它的对称轴为x=p。
h(x)也比f(x)稍微复杂了些。当x<0时它递减,当x>0时它递增。它取最小值的点为(0,q),它的对称轴为x=0(y轴)。
i(x)来到我们二次函数的普遍形式了(可能需要从
变换形式过来)。当x<p时它递减,当x>p时它递增。它取最小值的点为(p,q),它的对称轴为x=p。
这几个函数之间是什么关系呢?
3.1水平移动
把
里的x换成x-p,就得到了
f(x-p)=g(x),这可以看作是f(x)与y=x-p两个函数的复合
也就是说,对任意某个x(也就是所有的x)它在f(x)对应的值,和x+p在g(x)对应的值是相同的
在图像上,就是把f(x)向右边平移了p个单位
不仅仅是二次函数,实际上对所有的函数,只要x和x-p都在其定义域内,则f(x-p)就是把函数向右平移了p个单位。
要注意的是,这里必须要把所有的x都换成x-p
比如对函数
,把它向右平移p个单位就是:
如果p是负的,那么就是向右边的反方向移动,即向左移。
比如对
是向右平移2个单位,
是向左平移2个单位。
正负右左一定不要搞反!
3.2垂直移动
在
后面
孤零零地加上q,就得到了
可以很简单地看出f(x)+q=h(x)
对任意某个x(也就是所有的x)它在f(x)对应的值,再加上q,就得到了这个x在h(x)对应的值
在图像上,就是把f(x)向上平移了q个单位。
要注意的是,这里是在f(x)后面单独、孤零零地加上了q,不要影响到f(x)本身里的元素
如果q是负的,就是向上边的反方向移动,即向下移。
比如对
是向上平移3个单位,
是向下平移3个单位。
正负上下一定不要搞反!
3.3换个角度
为方便起见,我们把函数写成
函数
也可以写成:
也就是说,把x变成x-p就是向右平移p个单位,把y变成y-q就是向上平移某个单位.
如果p、q是负数,就是反方向。(也可以说:把x变成x+p就是向左平移p个单位,把y变成y+q就是向下平移某个单位)
3.4 a的变化
上述情况中二次项的系数都是1,我们没有考虑过a变化的情况,因为没什么值得讨论的。
在(一)单调性中已经讨论过a的正负对函数的影响,a>0开口向上,a<0开口向下。
a的绝对值越大,函数越“瘦”,递减或递增得越快。
a的绝对值越小,函数越”胖”,递减或递增得越慢。
这个从直观上也能理解
3.5具体实例和图像
现在我们以具体的函数为例,看看它们的图像:
(黑色)
(红色)
(绿色)
(蓝色)
单独看黑色和红色:把黑色向右平移2个单位后到达红色的位置。
单独看黑色和绿色:把黑色向上平移3个单位后到达绿色的位置。
单独看红色和蓝色:把红色向上平移3个单位后到达蓝色的位置。
单独看绿色和蓝色:把绿色向右平移2个单位后到达蓝色的位置。
单独看黑色和蓝色:把黑色向右平移2个单位、向上平移3个单位后到达蓝色的位置。
再来简单看下a对函数的影响,直观了解即可
红色:
绿色:
蓝色:
粉色:
草色:
紫色:
(四)周期性
二次函数没有周期性
(五)与x轴和y轴的交点
先来简单的:与y轴的交点
二次函数必然与y轴有交点,代入x=0,(0,f(0))就是与y轴的交点。
下面复杂的:与x轴的交点
5.1对已经形式转化为
的二次函数
当a>0时,
,
如果q>0,那么f(x)永远大于0,所以和x轴无交点
如果q=0,那么
,当x=p时,与x轴交于唯一的一点(p,0)
如果q<0,那么
(-q/a是正数),当x=
和
时,
与x轴有2个交点(
,0)和(
,0)
当a<0时,
如果q<0,那么f(x)永远小于0,所以和x轴无交点
如果q=0,那么
,当x=p时,与x轴交于唯一的一点(p,0)
如果q>0,那么令
(-q/a是正数),当x=
和
时,
与x轴有2个交点(
,0)和(
,0)
当a=0时,就是常数函数了,严谨起见,要在此专门提及,做题时也要记得。
下面是几个具体函数图像的实例:
左图红色:
绿色:
蓝色:
右图粉色:
草色:
紫色:
5.2针对形如
的二次函数
方法更加更简便,但图像上不那么直观
函数与x轴的交点,即f(x)=0
也就是求方程
的两个解。
用根的判别式:
当
时,方程有2个解,即有2个交点:
(
,0)和(
,0)
当
时,方程有1个解,即有1个交点:(-b/a,0)
当
时,方程没有解,即没有交点。
要求
二次函数的内容比较少也比较简单,但是需要一定量的练习来加深印象提高效率。
二次函数是非常基本非常简单的内容,这里涉及到的全部公式和模式都要烂熟于心,用起来毫不吃力。
后面学到更新的内容和更复杂的情况,如果二次函数部分还需要费力思考,是不能解决复杂问题的。
推导一元二次方程求根公式的“强行凑平方”的思路要认真研究。
“强行凑”成各种标准形式的思路未来学习中还会用到,也是解题中常用的方法。
函数的上下左右平移也要熟悉掌握,在函数和解析几何(圆锥曲线)中是非常重要的部分。
熟练掌握函数的平移,可以帮助把很多看上去很复杂的解析几何(圆锥曲线)简化得很普通。
完了
下篇准备更新指数和对数。
一次和二次函数在小学初中都有方程铺垫,指数对数是全新的内容,需要更多的努力去理解。