二次函数与方程

📘 二次函数·
⭐⭐⭐
·交点、判别式

🎯 学习目标

  • 理解二次函数图像与x轴交点的含义
  • 掌握判别式 $\Delta = b^2 - 4ac$ 的作用及其与交点个数的关系
  • 能利用判别式判断一元二次方程根的情况,并解决相关问题

📚 核心概念

二次函数的一般形式是 y=ax2+bx+cy = ax^2 + bx + c(其中 a0a \neq 0)。它的图像是抛物线。当我们想知道这个抛物线与x轴有没有交点、有几个交点时,实际上就是在解方程 ax2+bx+c=0ax^2 + bx + c = 0。这个方程的解就是交点的横坐标。

为了判断这个方程有没有实数解,我们引入判别式

Δ=b24ac\Delta = b^2 - 4ac

判别式的值决定了交点的个数:

  • 如果 Δ>0\Delta > 0,方程有两个不相等的实数根,抛物线与x轴有两个交点;
  • 如果 Δ=0\Delta = 0,方程有两个相等的实数根(即一个重根),抛物线与x轴有一个交点(顶点在x轴上);
  • 如果 Δ<0\Delta < 0,方程没有实数根,抛物线与x轴没有交点。

因此,判别式是连接二次函数图像和一元二次方程的重要桥梁。

📝 关键公式

  • 判别式公式Δ=b24ac\Delta = b^2 - 4ac

    • 示例:对于方程 x24x+3=0x^2 - 4x + 3 = 0,有 a=1,b=4,c=3a=1, b=-4, c=3,则 Δ=(4)24×1×3=1612=4>0\Delta = (-4)^2 - 4 \times 1 \times 3 = 16 - 12 = 4 > 0,说明有两个不同实根。
  • 交点个数判定规则

    • Δ>0\Delta > 0 → 两个交点
    • Δ=0\Delta = 0 → 一个交点
    • Δ<0\Delta < 0 → 无交点
    • 示例:方程 x2+2x+1=0x^2 + 2x + 1 = 0 中,Δ=224×1×1=0\Delta = 2^2 - 4 \times 1 \times 1 = 0,所以图像与x轴只有一个交点(在 x=1x = -1 处)。

💡 经典例题

例题1(基础):判断二次函数 y=x22x3y = x^2 - 2x - 3 的图像与x轴有几个交点。

  1. 写出对应方程:x22x3=0x^2 - 2x - 3 = 0
  2. 找出系数:a=1,b=2,c=3a = 1, b = -2, c = -3
  3. 计算判别式:Δ=(2)24×1×(3)=4+12=16\Delta = (-2)^2 - 4 \times 1 \times (-3) = 4 + 12 = 16
  4. 因为 Δ=16>0\Delta = 16 > 0,所以图像与x轴有两个交点

例题2(进阶):已知二次函数 y=2x2+kx+8y = 2x^2 + kx + 8 的图像与x轴没有交点,求k的取值范围。

  1. 对应方程为 2x2+kx+8=02x^2 + kx + 8 = 0
  2. 系数:a=2,b=k,c=8a = 2, b = k, c = 8
  3. 图像与x轴无交点 ⇒ 方程无实数根 ⇒ Δ<0\Delta < 0
  4. 计算判别式:Δ=k24×2×8=k264\Delta = k^2 - 4 \times 2 \times 8 = k^2 - 64
  5. 解不等式:k264<0k^2 - 64 < 0k2<64k^2 < 648<k<8-8 < k < 8
  6. 所以k的取值范围是 8<k<8-8 < k < 8

⚠️ 易错点

  • 混淆判别式符号:误认为 Δ=4acb2\Delta = 4ac - b^2。正确应为 Δ=b24ac\Delta = b^2 - 4ac。记住“b平方减4ac”。

  • 忽略 a0a \neq 0 的前提:只有当 a0a \neq 0 时才是二次函数。若 a=0a = 0,就变成一次函数,不能用判别式判断。

  • 把交点个数和根的个数搞混:其实它们是一回事——交点横坐标就是方程的实数根。但要注意“两个相等实根”对应“一个交点”,不是两个。

  • 解不等式出错:例如在例题2中,由 k2<64k^2 < 64 得到 k<8k < 8 是错误的,必须写成 8<k<8-8 < k < 8

  • 忘记验证题目条件:如题目说“与x轴有交点”,应包含 Δ=0\Delta = 0 的情况(即至少一个交点),不要只考虑 Δ>0\Delta > 0

💡 例题

1

AA是抛物线y=x29x+25,y = x^2 - 9x + 25,上的一点,BB是直线y=x8.y = x - 8.上的一点。求两点间可能的最短距离AB.AB.

A=(a,a29a+25)A = (a,a^2 - 9a + 25)是抛物线y=x29x+25.y = x^2 - 9x + 25.上的一点。则点AA到直线xy8=0x - y - 8 = 0的距离为

a(a29a+25)82=a2+10a332=a210a+332=(a5)2+82.\begin{aligned} \frac{|a - (a^2 - 9a + 25) - 8|}{\sqrt{2}} &= \frac{|-a^2 + 10a - 33|}{\sqrt{2}} \\ &= \frac{|a^2 - 10a + 33|}{\sqrt{2}} \\ &= \frac{|(a - 5)^2 + 8|}{\sqrt{2}}. \end{aligned}

可见,当a=5,a = 5,时,(a5)2+8(a - 5)^2 + 8最小,此时最小距离为82=42.\frac{8}{\sqrt{2}} = \boxed{4 \sqrt{2}}.

2

求二次函数f(x)=x2+ax+bf(x) = x^2 + ax + b,使得

f(f(x)+x)f(x)=x2+1776x+2010.\frac{f(f(x) + x)}{f(x)} = x^2 + 1776x + 2010.

我们有

f(f(x)+x)=f(x2+(a+1)x+b)=(x2+(a+1)x+b)2+a(x2+(a+1)x+b)+b=x4+(2a+2)x3+(a2+3a+2b+1)x2+(a2+2ab+a+2b)x+(ab+b2+b).\begin{aligned} f(f(x) + x) &= f(x^2 + (a + 1) x + b) \\ &= (x^2 + (a + 1)x + b)^2 + a(x^2 + (a + 1) x + b) + b \\ &= x^4 + (2a + 2) x^3 + (a^2 + 3a + 2b + 1) x^2 + (a^2 + 2ab + a + 2b) x + (ab + b^2 + b). \end{aligned}

可将它写成

x4+(2a+2)x3+(a2+3a+2b+1)x2+(a2+2ab+a+2b)x+(ab+b2+b)=x2(x2+ax+b)+(a+2)x3+(a2+3a+b+1)x2+(a2+2ab+a+2b)x+(ab+b2+b)=x2(x2+ax+b)+(a+2)x(x2+ax+b)+(a+b+1)x2+(a2+ab+a)x+(ab+b2+b)=x2(x2+ax+b)+(a+2)x(x2+ax+b)+(a+b+1)(x2+ax+b)=(x2+ax+b)(x2+(a+2)x+(a+b+1)).\begin{aligned} &x^4 + (2a + 2) x^3 + (a^2 + 3a + 2b + 1) x^2 + (a^2 + 2ab + a + 2b) x + (ab + b^2 + b) \\ &= x^2 (x^2 + ax + b) + (a + 2) x^3 + (a^2 + 3a + b + 1) x^2 + (a^2 + 2ab + a + 2b) x + (ab + b^2 + b) \\ &= x^2 (x^2 + ax + b) + (a + 2)x \cdot (x^2 + ax + b) + (a + b + 1) x^2 + (a^2 + ab + a) x + (ab + b^2 + b) \\ &= x^2 (x^2 + ax + b) + (a + 2)x \cdot (x^2 + ax + b) + (a + b + 1)(x^2 + ax + b) \\ &= (x^2 + ax + b)(x^2 + (a + 2) x + (a + b + 1)). \end{aligned}

f(x)=x2+ax+bf(x) = x^2 + ax + b的这个因式分解并不意外。为什么?)

因此,我们希望aabb满足a+2=1776a + 2 = 1776a+b+1=2010.a + b + 1 = 2010.。解得a=1774a = 1774b=235,b = 235,,所以f(x)=x2+1774x+235.f(x) = \boxed{x^2 + 1774x + 235}.

✏️ 练习

1

已知方程 2x2+y2+8x10y+c=02x^2 + y^2 + 8x - 10y + c = 0 的图像只有一个点(这时我们称这个图像为退化的椭圆)。求 cc 的值。

2

一条抛物线的焦点是(3,3)(3,3),准线是3x+7y=21.3x + 7y = 21.。请将该抛物线的方程写成如下形式:

ax2+bxy+cy2+dx+ey+f=0,ax^2 + bxy + cy^2 + dx + ey + f = 0,

,其中a,a,b,b,c,c,d,d,e,e,ff为整数,aa为正整数,且gcd(a,b,c,d,e,f)=1.\gcd(|a|,|b|,|c|,|d|,|e|,|f|) = 1.

3

抛物线y=(x+1)2y = (x + 1)^2x+4=(y3)2x + 4 = (y - 3)^2相交于四个点(x1,y1),(x_1,y_1),(x2,y2),(x_2,y_2),(x3,y3),(x_3,y_3),(x4,y4).(x_4,y_4).。求

x1+x2+x3+x4+y1+y2+y3+y4.x_1 + x_2 + x_3 + x_4 + y_1 + y_2 + y_3 + y_4.
4

一条抛物线的焦点是(3,3)(3,3),准线是3x+7y=21.3x + 7y = 21.。请将该抛物线的方程写成如下形式:

ax2+bxy+cy2+dx+ey+f=0,ax^2 + bxy + cy^2 + dx + ey + f = 0,

,其中a,a,b,b,c,c,d,d,e,e,ff都是整数,aa是正整数,且gcd(a,b,c,d,e,f)=1.\gcd(|a|,|b|,|c|,|d|,|e|,|f|) = 1.

5

一条抛物线的焦点是(3,3)(3,3),准线是3x+7y=21.3x + 7y = 21.。请将该抛物线的方程写成

ax2+bxy+cy2+dx+ey+f=0,ax^2 + bxy + cy^2 + dx + ey + f = 0,

的形式,其中a,a,b,b,c,c,d,d,e,e,ff都是整数,aa是正整数,且gcd(a,b,c,d,e,f)=1.\gcd(|a|,|b|,|c|,|d|,|e|,|f|) = 1.