二次函数

前言

从初中的二次函数到高中的二次函数的学习,经历了从整体研究(xin R)到部分研究(xin [a,b]),从静态研究(xin [1,3])到动态研究(xin [t,t+2])的过程;

基础知识

  • 1、参见各种高三复习的资料,暂略。

  • 2、补充二次函数(y=ax^2+bx+c(a eq 0))为偶函数,则(b=0)

二次函数(y=ax^2+bx+c(a eq 0))的值域若为([0,+infty)),则(a>0)(Delta=0);若值域为((-infty,0]),则(a<0)(Delta=0)

廓清认知

  • 对二次函数的图像和性质的学习研究更细致了,比如二次函数(f(x)=ax^2+bx+c(a eq 0))

一般来说初中研究的二次函数的定义域是默认的(R),而高中研究定义域往往会变成(R)的一个子集,比如(xin [3,7]),或(xin[0,+infty))

  • 定义域变化,往往会引起函数的性质的变化,好多学生恰恰没有意识到这一点。

以配图为例,红色的是函数(y=2x^2-x-3,xin R)的图像,这时候函数的性质比较简单,比如有对称性,对称轴是(x=cfrac{1}{4}),没有单调性,此时只有最小值,

蓝色的是函数(y=x^2-5x+2,xin [1,5])的图像,此时定义域变成(R)的一个子集,这时候函数的性质就变得复杂了,此时没有了对称性,也没有单调性,但是有了最小值也有最大值。如果定义域变成(xin [3,5]),那么此时又有了单调性,且有最大值和最小值。

  • 有些问题如果借助二次函数求解会变得简单, 比如利用图像确定二次方程的根的分布,如下例题。

如果方程(x^2+(m-1)x+m^2-2=0)的两个实根一个小于(-1),另一个大于(1),那么实数(m)的取值范围是((qquad))

法1:如果你想到用求根公式表达出(x_1 < -1)(x_2 >1),这样的思维往往也没有错,但是思维的层次就有点低了,因为仅仅想到用数来表达,而没有想到借助形来简化运算,况且转化后得到的是无理不等式,求解过程本身就很复杂。

法2:我们一般利用其对应函数的图像来控制方程根的分布,所以设(f(x)=x^2+(m-1)x+m^2-2),做出适合题意的函数(f(x))的大致图像,有图像可知,此时只须满足条件:(egin{cases} f(-1)<0 \ f(1)<0 end{cases})即可,下来解不等式就可以了。即求解(egin{cases}1-(m-1)+m^2-2<0 \ 1+(m-1)+m^2-2<0 end{cases})

这样的二次不等式的求解应该比法1简单。

  • 转化为二次函数求解,比如求函数(f(x)=x+sqrt{3x-2})的值域;

分析:令(sqrt{3x-2}=t(tge 0)),则(x=cfrac{t^2+2}{3}),那么原函数就变为(f(x)=x+sqrt{3x-2}=cfrac{t^2+2}{3}+t=g(t)),这样求原函数(f(x))的值域问题,就转化为了新的二次函数(g(t))的值域问题了,

重要性说明

为什么说掌握二次函数是高考成败的一个关键

1、90%的解不等式就是二次不等式,借助二次函数来完成,比如(x^2+3x+2>0)

2、字母系数的二次不等式即含参不等式,比如解关于(x)的不等式(x^2+(a^2+a)x+a^3>0)

3、涉及到分类讨论思想,数形结合思想,转化划归思想 比如定轴动区间,动轴定区间问题

已知二次函数(f(x)=ax^2+bx(a,bin R,a eq 0)),满足条件(f(x-1)=f(3-x)),且方程(f(x)=2x)有两个相等实数根,

(1)求(f(x))的解析式;

(2)求(f(x))([0,t])上的最大值。

解析:(1)属于求解析式问题。由(f(x-1)=f(3-x))可知,函数(f(x))的对称轴为(-dfrac{b}{2a}=1),又方程(ax^2+bx-2x=0)有两个相等实数根,故(Delta=(b-2)^2=0),联立两式解得(a=-1,b=2),则函数(f(x)=-x^2+2x);

(2)到此,问题转化为二次函数在动区间上的最值问题了,往往需要数形结合解决题目。(f(x)=-(x-1)^2+1),对称轴是直线(x=1),自变量(xin [0,t])

(0leq tleq 1)时,(f(x))在区间([0,t])上单调递增,故(f(x)_{max}=f(t)=-t^2+2t)

(t>1)时,(f(x))在区间([0,1])上单调递增,在区间([1,t])上单调递减,故(f(x)_{max}=f(1)=1)

(f(x)_{max}=egin{cases}-t^2+2t,&0leq tleq 1\1,&t>1 end{cases}).

4、用导数解决单调性问题,往往就成了解二次不等式。

已知函数(f(x)=cfrac{ax+b}{x}cdot e^x,a、bin R,a>0)

(1).若函数(f(x))(x=-1)处取到极值(cfrac{1}{e}),试求函数(f(x))的解析式和单调区间;

提示:(f'(x)=e^xcdot cfrac{ax^2+bx-b}{x^2})(f'(-1)=0,f(-1)=cfrac{1}{e}),分别求得(a-2b=0)(a-b=1),联立求得(a=2,b=1);则(f(x)=cfrac{2x+1}{x}cdot e^x)

求解单调区间,实质就是解不等式(f'(x)=cfrac{e^x(x+1)(2x-1)}{x^2}>0)(f'(x)=cfrac{e^x(x+1)(2x-1)}{x^2}<0),此时可以通过穿根法解分式不等式。((-infty,-1)和(cfrac{1}{2},+infty))单调递增;((-1,0)和(0,cfrac{1}{2}))单调递减;

已知函数(f(x)=x^2+2mlnx-(m+4)x+lnm+2)

(Ⅱ)当(m>0)时,试讨论函数(f(x))的单调性;

解析:(Ⅱ)(f'(x)=2x+cfrac{2m}{x}-(m+4)=cfrac{2x^2-(m+4)x+2m}{x}=cfrac{(x-2)(2x-m)}{x})

(f'(x)=0),得到(x=2)(x=cfrac{m}{2}>0),只需要借助分子函数的图像,即可判断导函数的正负,

(0<cfrac{m}{2}<2)时,即(0<m<4)时,

(xin (0,cfrac{m}{2}))时,(f'(x)>0)(f(x))单调递增,

(xin (cfrac{m}{2},2))时,(f'(x)<0)(f(x))单调递减,

(xin (2,+infty))时,(f'(x)>0)(f(x))单调递增,

(cfrac{m}{2}=2)时,即(m=4)时,此时(f'(x)ge 0)恒成立,当且仅当(x=2)时取得等号,故(f(x))((0,+infty))上单调递增,

(cfrac{m}{2}>2)时,即(m>4)时, (xin (0,2))时,(f'(x)>0)(f(x))单调递增,

(xin (2,cfrac{m}{2}))时,(f'(x)<0)(f(x))单调递减,

(xin (cfrac{m}{2},+infty))时,(f'(x)>0)(f(x))单调递增,

综上所述,当(0<m<4)时, (xin (0,cfrac{m}{2}))时,(f(x))单调递增, (xin (cfrac{m}{2},2))时,(f(x))单调递减,(xin (2,+infty))时,(f(x))单调递增,

(m=4)时,(f(x))((0,+infty))上单调递增,

(m>4)时, (xin (0,2))时,(f(x))单调递增, (xin (2,cfrac{m}{2}))时,(f(x))单调递减, (xin (cfrac{m}{2},+infty))时,(f(x))单调递增。

【二次函数恒成立模型】

  • 已知[仿二次]函数(f(x)=ax^2+bx+cge 0)(R)上恒成立的充要条件是(left{egin{array}{l}{a>0}\{Deltaleq 0}end{array} ight.)(left{egin{array}{l}{a=b=0}\{cge 0}end{array} ight.)

  • 已知二次函数(f(x)=ax^2+bx+cge 0(a eq 0))(R)上恒成立的充要条件是(left{egin{array}{l}{a>0}\{Deltaleq 0}end{array} ight.)

  • 已知二次函数(f(x)=ax^2+bx+cleq 0(a eq 0))(R)上恒成立的充要条件是(left{egin{array}{l}{a<0}\{Delta leq 0}end{array} ight.)

  • 已知二次函数(f(x)=ax^2+bx+cge 0(a> 0))([m,n])上恒成立的充要条件的写法有两种形式:

其一是(left{egin{array}{l}{-cfrac{b}{2a}leq m}\{f(m)ge 0}end{array} ight.)(left{egin{array}{l}{-cfrac{b}{2a}ge n}\{f(n)ge 0}end{array} ight.)(left{egin{array}{l}{m<-cfrac{b}{2a}<n}\{f(-cfrac{b}{2a})ge 0}end{array} ight.)

其二是(Delta leq 0)(left{egin{array}{l}{Delta>0}\{-cfrac{b}{2a}leq m}\{f(m)ge 0}end{array} ight.)(left{egin{array}{l}{Delta>0}\{-cfrac{b}{2a}ge n}\{f(n)ge 0}end{array} ight.)

  • 已知二次函数(f(x)=ax^2+bx+cleq 0(a> 0))([m,n])上恒成立的充要条件是(left{egin{array}{l}{f(m)leq 0}\{f(n)leq 0}end{array} ight.)

【2019届高三理科数学二次函数和幂函数课时作业第6题】已知函数(f(x)=x^2+2(a-2)x+4),如果对(xin [-3,1])(f(x)>0)恒成立,则实数(a)的取值范围是_______。

【法1:二次函数在定区间上恒成立,分类标准为(Delta)+对称轴】

(f(x)=x^2+2(a-2)x+4),对称轴为(2-a)(Delta=4(a-2)^2-16=4(a^2-4a))

由对(xin [-3,1])(f(x)>0)恒成立,可以分为以下几种,

(Delta <0)或②(left{egin{array}{l}{Deltage 0}\{2-aleq -3}\{f(-3)>0}end{array} ight.)或③(left{egin{array}{l}{Deltage 0}\{2-age 1}\{f(1)>0}end{array} ight.)

解①得到,(0<a<4)

解②得到,(ain varnothing)

解③得到,(-cfrac{1}{2}<aleq 0)

综上所述,(ain(-cfrac{1}{2},4))

【法2:二次函数在定区间上恒成立,分类标准仅仅为对称轴】

(f(x)=x^2+2(a-2)x+4),对称轴为(2-a)

由对(xin [-3,1])(f(x)>0)恒成立,只需要(f(x)_{min}>0)即可;

针对对称轴和给定区间的位置关系可以分为以下几种,

(left{egin{array}{l}{2-aleq -3}\{f(-3)>0}end{array} ight.)或②(left{egin{array}{l}{-3<2-a<1}\{f(2-a)>0}end{array} ight.)或③(left{egin{array}{l}{2-age 1}\{f(1)>0}end{array} ight.)

解①得到,(ain varnothing)

解②得到,(1<a<4)

解③得到,(-cfrac{1}{2}<aleq 1)

综上所述,(ain(-cfrac{1}{2},4))

【法3:分离参数法+分类讨论】

转化为(2xa>-x^2+4x-4)在区间(xin [-3,1])上恒成立,

①当(x=0)时,(ain R)都成立;

②当(0<xleq 1)时,(a>cfrac{-x^2+4x-4}{2x}=-cfrac{x}{2}-cfrac{2}{x}+2=g(x))恒成立,

(a>g(x)_{max}),用对勾函数可以求得当(0<xleq 1)时的(g(x)_{max}=g(1)=-cfrac{1}{2})

(a>-cfrac{1}{2})

③当(-3leq x<0)时,(a<cfrac{-x^2+4x-4}{2x}=-cfrac{x}{2}-cfrac{2}{x}+2=g(x))恒成立,

(a<g(x)_{min}),用对勾函数可以求得当(-3leq x<0)时的(g(x)_{min}=g(-2)=4)

(a<4)

综上所述,以上情况取交集,得到(ain(-cfrac{1}{2},4))

解后反思:

①当针对参数分类讨论时,最后的结果必须求并集;当针对自变量分类讨论时,最后的结果必须求交集;

②整理出方法3只是为了说明这种方法也是可行的,但是碰到这类题目我们一般不采用方法3;其中本题目求解中省略了求函数(g(x))的两个最值的大量的篇幅。如果补充就等于我们一次做了2-3个题目,从效率上说很不划算。

例7已知二次函数(f(x))的二次项系数为(a),且不等式(f(x)>0)的解集为((1,2)),若方程(f(x))的最大值小于(1),则(a)的取值范围是_____________。

分析:由题可知,(a<0),可设(f(x)=a(x-1)(x-2)=ax^2-3ax+2a)

(f(x)_{max}=f(cfrac{3}{2})=-cfrac{a}{4}<1),解得(a>-4),又(a<0),故(ain (-4,0)).

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