第四讲 二 次 函 数

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第四讲 二 次 函 数 二次函数在中学数学中起着十分重要的作用,也是初等数学中遇到比较多的函数之一,形如)0()(2acbxaxxf的函数,它的图象简单,性质易于掌握,又与二次方程、二次不等式有联系,与之相关的理论如判别式,韦达定理,求根公式等又是中学教材的重点内容,因此有必要进一步认识二次函数的性质,研究与二次函数有关的解题规律、方法与技巧.

二次函数)0()(2acbxaxxf的主要性质:

定义域为R;图象是对称轴平行于y轴(或与y轴重合)的抛物线;当a>0时,抛物线开口

向上方,函数的值域是,442abac,当x(-∞,ab2)时,)(xf是减函数,当x[-ab2,+∞]时,)(xf是增函数;当a<0时,抛物线开口向下方,函数的值域是abac44,2,当x(-∞,ab2)时,)(xf是增函数,当x[-,+∞)时,)(xf是减函数.当acb42>0时,函数的图象与x轴有两个不同的交点,它们分别是(0,242aacbb),(0,242aacbb);acb42=0时,函数的图象与x轴有两个重合的交点(-ab2,0),这时也称抛物线与x轴相切, acb42<0时,函数的图象与x轴没有交点. 函数)0()(2acbxaxxf的图象是连续的.一个有用的结论是,在区间[qp,]端点处的函数值异号,即)()(qfpf<0时,方程)(xf=0在(qp,)内恰有一个实根.抛物线的凸性也有一

定用途,a>0时,函数的图象是下凸形曲线,即对于任意Rxx21,,有)2(21xxf≤

2)()(21xfxf;a<0时, 函数的图象是上凸形曲线,即对于任意Rxx21,,有)2(21xxf≥

2)()(21xfxf利用二次函数图象的凸性和单调性,在某些与二次方程的范围有关的问题中可避免

使用判别式和求根公式. 一.含有参变数的二次函数

对于二次函数)0()(2acbxaxxf,当a、b、c固定时,此二次函数唯一确定,它的图象是一条抛物线;若b、c固定时,a可以在某个范围内变动,则它的图象可能是“一族”抛物线,对于a、b、c的不同范围和条件,得到的抛物线族具有不同的特征,如何确定这些特征,就因题而异了. 例题分析: 1. 集合A={42|2xxyy},B={axaxyy42|2},AB,求实数a的取值集合.

解:A、B分别表示函数422xxy与函数axaxy422的值域.由3)1(4222xxx≥3知A=[3,+∞).而B受参数a的影响,要进行讨论. a=0时,xy2,值域是R符合条件AB.

a≠0时,)(xf=axax422是二次函数,如果a<0,该函数的值域为aa14,,这

时AB不成立.如果a>0时,由[3,+∞][aa14,+∞],得314 0aaa ∴ 0<a≤1 综上所述, a的可取值集合为{a|0≤a≤1}。 说明:参数a的取值决定了函数)(xf=axax422的类别及性质,因而对该函数的值域有影响.为了由AB求出a的允许值范围,必须对参数a分情况讨论. 2. 考察所有可能的这样抛物线22baxxy,它们与坐标轴各有三个不同的交点,对于每一条这样的抛物线,过其与坐标轴的三个交点作圆.证明:所有这些圆周经过一定点. 证明:设抛物线22baxxy与x轴的交点为(1x,0)、(2x,0).由韦达定理知221bxx

<0 (因为b=0,则axxy2与坐标轴只有两个不同的交点),故点(1x,0)、(2x,0)在坐标原点的两侧.又因为1||||||221bxx,由相交弦定理的逆定理知,点(1x,0)、(2x,0)、(0,2b),(0,1)在同一个圆周上,即过抛物线与坐标轴的三个交点(1x,0)、(2x,0)、(0,2b)的圆一定过定点(0,1).于是所有的这些圆周均经过一定点(0,1). 3. 抛物线cbxxy2的顶点位于区域}10.10|),{(yxyxG内部或边界上,求b、c的取值范围.

解:抛物线的顶点坐标为(44,22bcb),故 1440 1202bcb 144 0222bcbb, 上式即为b、c的取值范围. 二.二次函数的最值

4. 设x=p时,二次函数)(xf有最大值5,二次函数)(xg的最小值为-2,且p>0,)(xf

+)(xg=13162xx,)(pg=25.求)(xg的解析式和p值. 解:由题设)(pf=5,)(pg=25,)()(pgpf=13162pp,所以 13162pp=30,解得 p=1 (p= -17舍去).由于)(xf在x=1时有最大值5,故设 )(xf=0,5)1(2axa 所以 )(xg=13162xx-)(xf=axaxa8)8(2)1(2,因)(xg的最小值为-2,

故2)1(4)3(4)8)(1(42aaaa,所以2a.从而)(xg=101232xx. 5. 已知0≤x≤1, )(xf=)0( 22aaaxx,)(xf的最小值为m. (1)用a表示m;(2)求m的最大值及此时a的值.

解:(1)把)(xf改写成)(xf=42)2(22aaax.于是知)(xf是顶点为(42,22aaa),开口向

上的抛物线.又因为x∈[0,1],故当0<2a≤1,即0<a≤2时,)(xf的最小值为42)2(2aaaf; 当2a>1,即a>2时,)(xf有最小值21)1(af.于是)2( ,21)20( ,422aaaaam (2)当a>2时,21a的值小于0,而当0<a≤2时,422aa=41)1(412a,它的最大值为41(当a=1时取得),故m的最大值为41,此时a=1.

说明:对于某些在给定区间上的二次函数最值问题,往往需要把顶点和区间端点结合起来考虑. 6. 函数)(xf=4943322mxx,x∈[―m,1―m],该函数的最大值是25,求该函数取最大值时自变量的值. 分析:限定在区间[―m,1―m]上的函数的最大值要考虑到在这个区间上的单调情况.当x可取任

意实数时,二次函数4943322mxx的图象是对称轴为21x开口向下的抛物线,21与区间[―m,1―m]的位置关系决定了已知函数的单调状况,因此要分区间讨论.

当21∈[―m,1―m],即2321m时,最大值应是34)21(2mf.由342m=25,

m2=222||211m得,不符合2321m的条件.可见m]23,21[

当21>1―m,即m>23时,函数)(xf=4943322mxx,x∈[―m,1―m]是增函数,可见254159)1(2mmmf,解之得m=25或m=223.其中m=223不合m>23的条件,舍去.可见1―m=1-25=-23. 当21<―m,即m<21时,函数)(xf=4943322mxx是[―m,1―m]是减函数,可见25493)(2mmmf,解之得m=27或m=213.其中m=27不合m<21的条件,舍去,由此知m=213. 综上所述,当x=-23或x=213时, 函数)(xf有最大值25. 说明:由点21与区间[―m,1―m]的位置关系引起的分类讨论是“形”对“数”的引导作用.本题中虽然只是求函数取最大值时的自变量x的值,没有问m的值,但这个x值与m值有直接关系,所以要先求m再求x. 7. 一幢k(>2)层楼的公寓有一部电梯,最多能容纳k-1个人,现有k-1个学生同时在第一层楼乘电梯,他们中没有两人是住同一层楼的.电梯只能停一次.停在任意选择的一层.而对每一个学生而言,自已往下走一层感到一分不满意,而往上走一层感到2分不满意,问电梯停在哪一层,可使不满意的总分达到最小? 解:设电梯停在第x层,则不满意的总分为S=(1+2+„+x-2)+2(1+2+„+k-x)

=1])54(3[2122kkxkx,所以当x=)654(kN时,S最小,其中)(aN表示最接近于a的

整数.例如,4)6.3(,3)3(NN32)5.2(,2)1.2(或NN,故当电梯停在)654(kN时,不满意总分最小. 三.利用二次函数的性质

8. 已知方程)1()1(222xaax,其中a>1,证明:方程的正根比1小,负根比 -1大.

证明:原方程整理后,得222122aaxxa=0,令)(xf=222122aaxxa,则)(xf是开口向上的抛物线,且01)0(2af,故此二次函数)(xf=0有一个正根,一个负根.要证明正根比1小,只须证0)1(f,要证明负根比 -1大,只须证)1(f>0.因为

0)1(122)1(0)1(122)1(222222aaaafaaaaf 从而命题得证.

9. 若抛物线22axxy与连接两点M(0,1),N(2,3)的线段(包括M、N两点)有两个相异的交点,求a的取值范围. 解:易知过两点(0,1)、(2,3)的直线方程为1xy,而抛物线22axxy与线段MN有

两个交点就是方程22axx1x在区间[0,2]上有两个有两个不等的实根.令1)1()(2xaxxf.则 032)2(,01)0(04)1(,22102affaa解得a的范围为23≤a≤-1. 说明:利用二次函数来研究一元二次方程的根的分布是非常有效的手段. 10. 设}31|{xxA,又设X是关于x的不等式组0520222bxxaxx的解集,试确定ba,的取