二次函数的三种表示
设 f(x)=ax2+bx+c,其中 a,b,c∈R 且 a=0,称 f 为二次函数。a=0 时函数降为一次或常函数,不能继续使用含 1/a 的公式。
记判别式 Δ=b2−4ac。配方给出
f(x)=a(x2+abx)+c=a(x+2ab)2+4a4ac−b2=a(x−x0)2−4aΔ,x0=−2ab.
所以图像为抛物线,对称轴为 x=x0,顶点为 (x0,−Δ/(4a))。
单调性与全实数域最值
当 a>0 时,平方项非负,函数在 (−∞,x0] 上递减,在 [x0,+∞) 上递增;最小值为 −Δ/(4a),在且仅在 x=x0 取得,没有最大值。a<0 时方向反转,在顶点取得最大值,没有最小值。
这些结论也可直接从作差验证:
f(v)−f(u)=a(v−u)(u+v−2x0).
当 u<v≤x0 时,括号 u+v−2x0<0;当 x0≤u<v 时该括号为正,因而函数增减由 a 的符号确定。
方程的根与因式分解
由配方,f(x)=0 等价于 (2ax+b)2=Δ。因此 Δ<0 时无实根;Δ=0 时有一个二重实根 x0;Δ>0 时有两个不同实根
x=2a−b±Δ.
当存在实根 r1,r2(重根重复列入)时,
f(x)=a(x−r1)(x−r2),r1+r2=−ab,r1r2=ac.
后两式为二次方程的韦达关系,由展开因式形式、比较一次项与常数项的系数得到。
二次不等式与闭区间最值
设 f(x)=ax2+bx+c,a=0,Δ=b2−4ac。先列出 a>0 时全部符号情况。
| 判别式 |
f(x)>0 |
f(x)=0 |
f(x)<0 |
| Δ>0,实根 r1<r2 |
x<r1 或 x>r2 |
x=r1,r2 |
r1<x<r2 |
| Δ=0,重根 x0 |
x=x0 |
x=x0 |
无解 |
| Δ<0 |
所有实数 |
无解 |
无解 |
当 a<0 时,表中正、负两列互换,零点不变。解 f(x)≥0 或 f(x)≤0,在相应严格不等式的解集中加入零点即可。
依据。 有两个实根时,使用 a(x−r1)(x−r2) 判断各因子的符号;重根时使用 a(x−x0)2;无实根时,配方中的平方项与顶点值都与 a 同号。
闭区间上的最大值和最小值
设区间为 [m,n],m<n,顶点横坐标 x0=−b/(2a)。若 a>0,
x∈[m,n]minf(x)=⎩⎨⎧f(m),f(x0),f(n),x0<m,m≤x0≤n,x0>n,x∈[m,n]maxf(x)=max{f(m),f(n)}.
这是因为 f(x)=a(x−x0)2+f(x0) 随离顶点的距离增大而增大:最近点给最小值,最远端点给最大值。若 a<0,最近点给最大值,最远端点给最小值。
区间为开区间时,端点不属于定义域,其函数值只能用于判断界,不能直接认作已取得的最值。