2014-01-23
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二次函数 二次函数是最简单的非线性函数之一,而且有着丰富内涵。在中学数学数材中,对二次函数和二次方程,二次三项式及二次不等式以及它们的基本性质,都有深入和反复的讨论与练习。它对近代数学,乃至现代数学,影响深远,为历年来高考数学考试的一项重点考查内容,历久不衰,以它为核心内容的重点试题,也年年有所变化,不仅如此,在全国及各地的高中数学竞赛中,有关二次函数的内容也是非常重要的命题对象。因此,必须透彻熟练地掌握二次函数的基本性质。 学习二次函数的关键是抓住顶点(-b/2a,(4ac-b2)/4a),顶点的由来体现了配方法(y=ax2+bx+c=a(x+b/2a)2+(4ac-b2)/4a);图象的平移归结为顶点的平移(y=ax2→y=a(x-h)2+k);函数的对称性(对称轴x=-b/2a,f (-b/2a+x)=f (-b/2a-x),x∈R),单调区间(-∞,-b/2a),[-b/2a,+∞]、极值((4ac-b2)/4a),判别式(Δb2-4ac)与X轴的位置关系(相交、相切、相离)等,全都与顶点有关。 一、“四个二次型”概述 在河南教育出版社出版的《漫谈ax2+bx+c》一书中(作者翟连林等),有如下一个“框图”: (一元)二次函数
y=ax2+bx+c (a≠0) → a=0 → (一元)一次函数
y=bx+c(b≠0)
↑ ↑
↑ ↑
(一元)二次三项式
ax2+bx+c(a≠0) → a=0 → 一次二项式
bx+c(b≠0)
↓ ↓ ↓ ↓
↓ ↓ ↓ ↓
↓ 一元二次方程
ax2+bx+c=0(a≠0) → a=0 → 一元一次方程
bx+c=0(b≠0) ↓
↓ ↓
一元二次不等式
ax2+bx+c>0或
ax2+bx+c<0(a≠0) → a=0 → 一元一次不等式
bx+c>0或
bx+c<0(b≠0)
观察这个框图,就会发现:在a≠0的条件下,从二次三项式出发,就可派生出一元二次函数,一元二次方程和一元二次不等式来。故将它们合称为“四个二次型”。其中二次三项式ax2+bx+c(a≠0)像一颗心脏一样,支配着整个“四个二次型”的运动脉络。而二次函数y=ax2+bx+c(a≠0),犹如“四个二次型”的首脑或统帅:它的定义域即自变量X的取值范围是全体实数,即n∈R;它的解析式f(x)即是二次三项式ax2+bx+c(a≠0);若y=0,即ax2+bx+c=0(a≠0),就是初中重点研究的一元二次方程;若y>0或y<0,即ax2+bx+c>0或ax2+bx+c<0(a≠0),就是高中一年级重点研究的一元二次不等式,它总揽全局,是“四个二次型”的灵魂。讨论零值的一元二次函数即一元二次方程是研究“四个二次型”的关键所在,它直接影响着两大主干:一元二次方程和一元二次不等式的求解。一元二次方程的根可看作二次函数的零点;一元二次不等式的解集可看作二次函数的正、负值区间。心脏、头脑、关键、主干、一句话,“四个二次型”联系密切,把握它们的相互联系、相互转化、相互利用,便于寻求规律,灵活运用,使学习事半功倍。
二、二次函数的解析式 上面提到,“四个二次型”的心脏是二次三项式:二次函数是通过其解析式来定义的(要特别注意二次项系数a≠0);二次函数的性质是通过其解析式来研究的。因此,掌握二次函数首先要会求解析式,进而才能用解析式去解决更多的问题。 Y=ax2+bx+c(a≠0)中有三个字母系数a、b、c,确定二次函数的解析式就是确定字母a、b、c的取值。三个未知数的确定需要3个独立的条件,其方法是待定系数法,依靠的是方程思想及解方程组。 二次函数有四种待定形式: 1.标准式(定义式):f(x)=ax2+bx+c.(a≠0)
2.顶点式: f(x)=a(x-h)2+k .(a≠0)
3.两根式(零点式):f(x)=a(x-x1)(x-x2). (a≠0)
4.三点式:(见罗增儒《高中数学竞赛辅导》) 过三点A(x1,f (x1))、B(x2,f (x2))、C(x3,f (x3))的二次函数可设为 f (x)=a1(x-x2)(x-x3)+a2(x-x1)(x-x3)+a3(x-x1)(x-x2)把ABC坐标依次代入,即令x=x1,x2,x3,得 f (x1)=a1(x1-x2)(x1-x3),
f (x2)=a2(x2-x1)(x2-x3),
f (x3)=a3(x3-x1)(x3-x2) 解之,得:a1=f (x1)/ (x1-x2)(x1-x3),a2=f (x2)/ (x2-x1)(x2-x3),a3=f (x3)/ (x3-x1)(x3-x2) 从而得二次函数的三点式为:f(x)=[f(x1)/(x1-x2)](x1-x3)(x-x2)(x-x3)+[f(x2)/ (x2-x1)(x2-x3)](x-x1)(x-x3)+[f(x3)/(x3-x1)(x3-x2)](x-x1)(x-x2)根据题目所给的不同条件,灵活地选用上述四种形式求解二次函数解析式,将会得心应手。 例1. 已知二次函数的图象过(-1,-6),(1,-2)和(2,3)三点,求二次函数的解析式。 [解法一]:用标准式 ∵图象过三点(-1,-6)、(1,-2)、(2,3) ∴可设y=f (x)=ax2+bx+c,且有a-b+c=-6 ①,a+b+c=-2 ②,4a+2b+c=3 ③ 解之得:a=1,b=2,c=-5 ∴所求二次函数为y=x2+2x-5 [解法二]:用三点式 ∵图象过三点(-1,-6),(1,-2),(2,3) ∴可设y=a1(x-x2)(x-x3)+a2(x-x1)(x-x3)+a3(x-x1)(x-x2)=(a1+a2+a3)x2- [a1(x2+x3)+a2(x1+x3)+a3(x1+x2)]x+(a1x2x3+a2x1x3+a3x1x2) 计算可得:a1=-6/(-1-1)(-1-2)=-1,
a2=-2/ (1+1)(1-2)=1,
a3=3/ (2+1)(2-1)=1 ∴f (x)=x2+2x-5 例2. 二次函数的图象通过点(2,-5),且它的顶点坐轴为(1,-8),求它的解析式 解:∵它的顶点坐标已知 ∴可设f (x)=a(x-1)2-8 又函数图象通过点(2,-5), ∴a(2-1)2-8=-5 解之,得a=3 故所求的二次函数为:
y=3(x-1)2-8 即:y=f (x)=3x2-6x-5 [评注],以顶点坐标设顶点式a(x-h)2+k,只剩下二次项系数a为待定常数,以另一条件代入得到关于a的一元一次方程求a,这比设标准式要来得简便得多。 例3. 已知二次函数的图象过(-2,0)和(3,0)两点,并且它的顶点的纵坐标为125/4,求它的解析式。 解:∵(-2,0)和(3,0)是X轴上的两点, ∴x1=-2,x2=3 可设y=f(x)=a(x+2)(x-3)
=a(x2-x-6)=a[(x-1/2)2-25/4]
=a(x-1/2)2-25/4a 它的顶点的纵坐标为-25/4a ∴-25/4a=125/4,a=-5 故所求的二次函数为: f (x)=-5(x+2)(x-3)=-5x2+5x+30 [想一想]:本例能否用顶点式来求? 例4. 已知二次函数经过3点A(1/2,3/4)、B(-1,3)、C(2,3),求解析式。 [分析]本例当然可用标准式、三点式求解析式,但解方程组与求a1、a2、a3计算较繁。仔细观察三点坐标特点或画个草图帮助分析,注意到三点的特殊位置,则可引出如下巧解。 [解法一]:顶点式:由二次函数的对称性可知,点B、C所连线段的中垂线x=(-1+2)/2=1/2即为图象的对称轴,从而点A(1/2,3/4)必是二次函数的顶点,故可设顶点式: f(x)=a(x-(1/2))2+(3/4) 把B或C的坐标代入得:f(-1)=a(-3/2)2+(3/4)=(9/4)a+(3/4)=3 解得:a=1 ∴f(x)=(x-(1/2))2+3/4=x2-x+1 [解法二]由B、C的纵坐标相等可知B、C两点是函数y=f (x)与直线y=3的交点,亦即B、C两点的横坐标是方程f (x)=3即f (x)-3=0的两个根故可设零点式为: f (x)-3=a(x+1)(x-2)把A点坐标代入,有 f (1/2)-3=a(1/2+1)(1/2-2),即-9/4=-9/4a,a=1 从而f (x)=(x+1)(x-2)+3
=x2-x+1
y=ax2+bx+c (a≠0) → a=0 → (一元)一次函数
y=bx+c(b≠0)
↑ ↑
↑ ↑
(一元)二次三项式
ax2+bx+c(a≠0) → a=0 → 一次二项式
bx+c(b≠0)
↓ ↓ ↓ ↓
↓ ↓ ↓ ↓
↓ 一元二次方程
ax2+bx+c=0(a≠0) → a=0 → 一元一次方程
bx+c=0(b≠0) ↓
↓ ↓
一元二次不等式
ax2+bx+c>0或
ax2+bx+c<0(a≠0) → a=0 → 一元一次不等式
bx+c>0或
bx+c<0(b≠0)
观察这个框图,就会发现:在a≠0的条件下,从二次三项式出发,就可派生出一元二次函数,一元二次方程和一元二次不等式来。故将它们合称为“四个二次型”。其中二次三项式ax2+bx+c(a≠0)像一颗心脏一样,支配着整个“四个二次型”的运动脉络。而二次函数y=ax2+bx+c(a≠0),犹如“四个二次型”的首脑或统帅:它的定义域即自变量X的取值范围是全体实数,即n∈R;它的解析式f(x)即是二次三项式ax2+bx+c(a≠0);若y=0,即ax2+bx+c=0(a≠0),就是初中重点研究的一元二次方程;若y>0或y<0,即ax2+bx+c>0或ax2+bx+c<0(a≠0),就是高中一年级重点研究的一元二次不等式,它总揽全局,是“四个二次型”的灵魂。讨论零值的一元二次函数即一元二次方程是研究“四个二次型”的关键所在,它直接影响着两大主干:一元二次方程和一元二次不等式的求解。一元二次方程的根可看作二次函数的零点;一元二次不等式的解集可看作二次函数的正、负值区间。心脏、头脑、关键、主干、一句话,“四个二次型”联系密切,把握它们的相互联系、相互转化、相互利用,便于寻求规律,灵活运用,使学习事半功倍。
二、二次函数的解析式 上面提到,“四个二次型”的心脏是二次三项式:二次函数是通过其解析式来定义的(要特别注意二次项系数a≠0);二次函数的性质是通过其解析式来研究的。因此,掌握二次函数首先要会求解析式,进而才能用解析式去解决更多的问题。 Y=ax2+bx+c(a≠0)中有三个字母系数a、b、c,确定二次函数的解析式就是确定字母a、b、c的取值。三个未知数的确定需要3个独立的条件,其方法是待定系数法,依靠的是方程思想及解方程组。 二次函数有四种待定形式: 1.标准式(定义式):f(x)=ax2+bx+c.(a≠0)
2.顶点式: f(x)=a(x-h)2+k .(a≠0)
3.两根式(零点式):f(x)=a(x-x1)(x-x2). (a≠0)
4.三点式:(见罗增儒《高中数学竞赛辅导》) 过三点A(x1,f (x1))、B(x2,f (x2))、C(x3,f (x3))的二次函数可设为 f (x)=a1(x-x2)(x-x3)+a2(x-x1)(x-x3)+a3(x-x1)(x-x2)把ABC坐标依次代入,即令x=x1,x2,x3,得 f (x1)=a1(x1-x2)(x1-x3),
f (x2)=a2(x2-x1)(x2-x3),
f (x3)=a3(x3-x1)(x3-x2) 解之,得:a1=f (x1)/ (x1-x2)(x1-x3),a2=f (x2)/ (x2-x1)(x2-x3),a3=f (x3)/ (x3-x1)(x3-x2) 从而得二次函数的三点式为:f(x)=[f(x1)/(x1-x2)](x1-x3)(x-x2)(x-x3)+[f(x2)/ (x2-x1)(x2-x3)](x-x1)(x-x3)+[f(x3)/(x3-x1)(x3-x2)](x-x1)(x-x2)根据题目所给的不同条件,灵活地选用上述四种形式求解二次函数解析式,将会得心应手。 例1. 已知二次函数的图象过(-1,-6),(1,-2)和(2,3)三点,求二次函数的解析式。 [解法一]:用标准式 ∵图象过三点(-1,-6)、(1,-2)、(2,3) ∴可设y=f (x)=ax2+bx+c,且有a-b+c=-6 ①,a+b+c=-2 ②,4a+2b+c=3 ③ 解之得:a=1,b=2,c=-5 ∴所求二次函数为y=x2+2x-5 [解法二]:用三点式 ∵图象过三点(-1,-6),(1,-2),(2,3) ∴可设y=a1(x-x2)(x-x3)+a2(x-x1)(x-x3)+a3(x-x1)(x-x2)=(a1+a2+a3)x2- [a1(x2+x3)+a2(x1+x3)+a3(x1+x2)]x+(a1x2x3+a2x1x3+a3x1x2) 计算可得:a1=-6/(-1-1)(-1-2)=-1,
a2=-2/ (1+1)(1-2)=1,
a3=3/ (2+1)(2-1)=1 ∴f (x)=x2+2x-5 例2. 二次函数的图象通过点(2,-5),且它的顶点坐轴为(1,-8),求它的解析式 解:∵它的顶点坐标已知 ∴可设f (x)=a(x-1)2-8 又函数图象通过点(2,-5), ∴a(2-1)2-8=-5 解之,得a=3 故所求的二次函数为:
y=3(x-1)2-8 即:y=f (x)=3x2-6x-5 [评注],以顶点坐标设顶点式a(x-h)2+k,只剩下二次项系数a为待定常数,以另一条件代入得到关于a的一元一次方程求a,这比设标准式要来得简便得多。 例3. 已知二次函数的图象过(-2,0)和(3,0)两点,并且它的顶点的纵坐标为125/4,求它的解析式。 解:∵(-2,0)和(3,0)是X轴上的两点, ∴x1=-2,x2=3 可设y=f(x)=a(x+2)(x-3)
=a(x2-x-6)=a[(x-1/2)2-25/4]
=a(x-1/2)2-25/4a 它的顶点的纵坐标为-25/4a ∴-25/4a=125/4,a=-5 故所求的二次函数为: f (x)=-5(x+2)(x-3)=-5x2+5x+30 [想一想]:本例能否用顶点式来求? 例4. 已知二次函数经过3点A(1/2,3/4)、B(-1,3)、C(2,3),求解析式。 [分析]本例当然可用标准式、三点式求解析式,但解方程组与求a1、a2、a3计算较繁。仔细观察三点坐标特点或画个草图帮助分析,注意到三点的特殊位置,则可引出如下巧解。 [解法一]:顶点式:由二次函数的对称性可知,点B、C所连线段的中垂线x=(-1+2)/2=1/2即为图象的对称轴,从而点A(1/2,3/4)必是二次函数的顶点,故可设顶点式: f(x)=a(x-(1/2))2+(3/4) 把B或C的坐标代入得:f(-1)=a(-3/2)2+(3/4)=(9/4)a+(3/4)=3 解得:a=1 ∴f(x)=(x-(1/2))2+3/4=x2-x+1 [解法二]由B、C的纵坐标相等可知B、C两点是函数y=f (x)与直线y=3的交点,亦即B、C两点的横坐标是方程f (x)=3即f (x)-3=0的两个根故可设零点式为: f (x)-3=a(x+1)(x-2)把A点坐标代入,有 f (1/2)-3=a(1/2+1)(1/2-2),即-9/4=-9/4a,a=1 从而f (x)=(x+1)(x-2)+3
=x2-x+1
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