1闭区间上二次函数的最值
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闭区间上二次函数的最值二次函数是最简单的非线性函数之一,自身性质活跃,同时经常作为其他函数的载体。
二次函数在某一区间上的最值问题,是初中二次函数内容的继续和发展,随着区间的确定或变化,以及在系数中增添参变数,使其又成为高考数学中的热点。
一. 定二次函数在定区间上的最值二次函数是给定的,给出的定义域区间也是固定的,我们称这种情况是“定二次函数在定区间上的最值”。
例1. 函数y x x =-+-242在区间[0,3]上的最大值是_________,最小值是_______。
解:函数y x x x =-+-=--+224222()是定义在区间[0,3]上的二次函数,其对称轴方程是x =2,顶点坐标为(2,2),且其图象开口向下,显然其顶点横坐标在[0,3]上,如图1所示。
函数的最大值为f ()22=,最小值为f ()02=-。
图1例2. 已知232x x ≤,求函数f x x x ()=++21的最值。
解:由已知232x x ≤,可得032≤≤x ,即函数f x ()是定义在区间032,⎡⎣⎢⎤⎦⎥上的二次函数。
将二次函数配方得f x x ()=+⎛⎝⎫⎭⎪+12342,其对称轴方程x =-12,顶点坐标-⎛⎝ ⎫⎭⎪1234,,且图象开口向上。
显然其顶点横坐标不在区间032,⎡⎣⎢⎤⎦⎥内,如图2所示。
函数f x ()的最小值为f ()01=,最大值为f 32194⎛⎝ ⎫⎭⎪=。
图2解后反思:已知二次函数f x ax bx c ()=++2(不妨设a >0),它的图象是顶点为--⎛⎝ ⎫⎭⎪b a ac b a 2442,、对称轴为x ba=-2、开口向上的抛物线。
由数形结合可得在[m ,n]上f x ()的最大值或最小值:(1)当[]-∈b am n 2,时,f x ()的最小值是f b a ac ba f x -⎛⎝ ⎫⎭⎪=-2442,()的最大值是f m f n ()()、中的较大者。
(2)当[]-∉bam n 2,时 若-<bam 2,由f x ()在[]m n ,上是增函数 则f x ()的最小值是f m (),最大值是f n () 若n ba<-2,由f x ()在[]m n ,上是减函数 则f x ()的最大值是f m (),最小值是f n ()二. 动二次函数在定区间上的最值二次函数随着参数a 的变化而变化,即其图象是运动的,但定义域区间是固定的,我们称这种情况是“动二次函数在定区间上的最值”。
例3. 已知x 21≤,且a -≥20,求函数f x x ax ()=++23的最值。
解:由已知有-≤≤≥112x a ,,于是函数f x ()是定义在区间[]-11,上的二次函数,将f x ()配方得:f x x a a ()=+⎛⎝ ⎫⎭⎪+-23422二次函数f x ()的对称轴方程是x a =-2顶点坐标为--⎛⎝ ⎫⎭⎪a a 2342,,图象开口向上由a ≥2可得x a=-≤-21,显然其顶点横坐标在区间[]-11,的左侧或左端点上。
函数的最小值是f a ()-=-14,最大值是f a ()14=+。
图3例4. 已知二次函数f x ax ax a ()=++-2241在区间[]-41,上的最大值为5,求实数a 的值。
解:将二次函数配方得f x a x a a ()()=++--24122,其对称轴方程为x =-2,顶点坐标为()---2412,a a ,图象开口方向由a 决定。
很明显,其顶点横坐标在区间[]-41,上。
若a <0,函数图象开口向下,如图4所示,当x =-2时,函数取得最大值5 即f a a ()-=--=24152解得a =±210故a a =-=+210210()舍去图4若a >0时,函数图象开口向上,如图5所示,当x =1时,函数取得最大值5 即f a a ()15152=+-= 解得a a ==-16或 故a a ==-16()舍去图5综上讨论,函数f x ()在区间[]-41,上取得最大值5时,a a =-=2101或 解后反思:例3中,二次函数的对称轴是随参数a 变化的,但图象开口方向是固定的;例4中,二次函数的对称轴是固定的,但图象开口方向是随参数a 变化的。
三. 定二次函数在动区间上的最值二次函数是确定的,但它的定义域区间是随参数t 而变化的,我们称这种情况是“定函数在动区间上的最值”。
例5. 如果函数f x x ()()=-+112定义在区间[]t t ,+1上,求f x ()的最小值。
解:函数f x x ()()=-+112,其对称轴方程为x =1,顶点坐标为(1,1),图象开口向上。
如图6所示,若顶点横坐标在区间[]t t ,+1左侧时,有1<t 。
当x t =时,函数取得最小值f x f t t ()()()min ==-+112。
图6如图7所示,若顶点横坐标在区间[]t t ,+1上时,有t t ≤≤+11,即01≤≤t 。
当x =1时,函数取得最小值f x f ()()min ==11。
图7如图8所示,若顶点横坐标在区间[]t t ,+1右侧时,有t +<11,即t <0。
当x t =+1时,函数取得最小值f x f t t ()()min =+=+112综上讨论,f x t t t t t ()(),,min=-+>≤≤+<⎧⎨⎪⎩⎪1111011022图8例 6. 设函数f x x x ()=--244的定义域为[]t t --21,,对任意t R ∈,求函数f x ()的最小值ϕ()t 的解析式。
解:将二次函数配方得:f x x x x ()()=--=--224428其对称轴方程为x =2,顶点坐标为()28,-,图象开口向上若顶点横坐标在区间[]t t --21,左侧,则22<-t ,即t >4。
当x t =-2时,函数取得最小值f t t t t ()()-=--=-+2488822若顶点横坐标在区间[]t t --21,上,则t t -≤≤-221,即34≤≤t 。
当x =2时,函数取得最小值f ()28=-若顶点横坐标在区间[]t t --21,右侧,则t -<12,即t <3。
当x t =-1时,函数取得最小值f t t t t ()()-=--=-+1386122综上讨论,得ϕ()()()()t t t t t t t t =-+>-≤≤-+<⎧⎨⎪⎩⎪22884834613四. 动二次函数在动区间上的最值二次函数是含参数的函数,而定义域区间也是变化的,我们称这种情况是“动二次函数在动区间上的最值”。
例7. 已知y a x a a 240=->()(),且当x a ≥时,S x y =-+()322的最小值为4,求参数a 的值。
解:将y a x a 24=-()代入S 中,得[]S x a x a x a x a x a a a =-+-=--+-=--+-()()()()34232943212822222则S 是x 的二次函数,其定义域为[]x a ∈+∞,,对称轴方程为x a =-32,顶点坐标为()321282--a a a ,,图象开口向上。
若32-≥a a ,即01<≤a则当x a =-32时,S a a 最小=-=12842此时,a =1,或a =12若32-<a a ,即a >1则当x a =时,[]S a a a a 最小=--+-=()32128422此时,a =5,或a =1(因a a >=11,舍去) 综上讨论,参变数a 的取值为a =1,或a =12,或a =5例8. 已知()()x y a a --=>140222,且当x a ≥+12时,P x y =-+()422的最小值为1,求参变数a 的值。
解:将y x a 22214=--()代入P 中,得P x x a x a =-+--=-⎛⎝ ⎫⎭⎪+-2()()41454175952222则P 是x 的二次函数,其定义域为[)x a ∈++∞12,,对称轴方程为x =175,顶点坐标为175952,-⎛⎝⎫⎭⎪a ,图象开口向上。
若17512≥+a ,即a ≤65则当x =175时,P a 最小=-=9512此时,a =25若17512<+a ,即a >65则当x a =+12时,P a a 最小=+-⎛⎝ ⎫⎭⎪+-=254121759512 此时,a =2,或a =1(因a a >=651,舍去) 综上讨论,a a ==252,或 解后反思:例7中,二次函数的对称轴是变化的;例8中,二次函数的对称轴是固定的。
另外,若函数图象的开口方向、对称轴均不确定,且动区间所含参数与确定函数的参数一致,可采用先斩后奏的方法。
二次函数在闭区间上的最值只可能在区间端点、顶点处取得,不妨令之为最值,验证参数的资格,进行取舍。