教材 · 数学 Course 2 · 函数 · 二次函数

解的分布

解の存在範囲

3 2次関数 / 2次関数のグラフと2次方程式
一句话结论

把「解在哪里」翻译成图像的条件:判别式管有没有交点,轴管交点偏向哪边,f(k)f(k) 的符号管 kk 在不在两交点之间。开口向上时,两个解都大于 kk   ⟺  \iff D≥0D\ge0、轴 >k>k、f(k)>0f(k)>0;kk 夹在两解之间   ⟺  \iff f(k)<0f(k)<0,一条就够。

方程的解就是抛物线与 xx 轴交点的横坐标。很多题不问解是多少,只问解落在哪里:「两个解都大于 11」「一个正、一个负」「两个解都在 00 和 11 之间」。带根号的解直接比大小很麻烦,看图却只需查三样东西:判别式、轴的位置、关键点处的函数值。这就是解的分布(解の存在範囲),EJU 二次函数大题的最后一问常落在这里。

为什么是这样

先看一个事实:抛物线是一条连着的曲线。f(p)f(p) 与 f(q)f(q) 异号,即一端在 xx 轴上方、另一端在下方,从 pp 走到 qq 的途中一定穿过 xx 轴,p<x<qp<x<q 里就有方程的解。对二次方程还能说得更死:恰好一个,因为两个解都在里面或都在外面时,两端的符号相同。

设开口向上。f(k)<0f(k)<0 表示 kk 处的图像在 xx 轴下方,而抛物线向左、向右都会升到 xx 轴上方,所以左右各有一个交点:kk 夹在两个解之间。两个不同交点是自动的,不必再写 D>0D>0。

f(k)>0f(k)>0 只说明 kk 不在两解之间:两个解可能都在 kk 右边,可能都在左边,也可能根本没有交点。要两个解都大于 kk,还得补两条:D≥0D\ge0 保证交点存在,轴 >k>k 保证它们在 kk 的右边(两个交点关于轴对称,轴在哪边它们就在哪边)。图里 ① 和 ② 的 DD、f(k)f(k) 完全一样,只差在轴上。

两个解都在 p<x<qp<x<q 里,就是两端各用一次这个道理:D≥0D\ge0,p<p< 轴 <q<q,f(p)>0f(p)>0,f(q)>0f(q)>0。

开口向上时,两个解相对于 k 的三种位置与各自的条件① 两个解都大于 kx轴kαβD ≥ 0轴 > kf(k) > 0② 两个解都小于 kx轴kαβD ≥ 0轴 < kf(k) > 0③ k 在两个解之间x轴kαβ只要 f(k) < 0(两个交点自动存在)①② 的 D 与 f(k) 条件一模一样,只能靠轴在 k 的哪一侧来区分。③ 中 f(k) < 0:开口向上的曲线在 k 处沉到 x 轴下方,左右必各穿过 x 轴一次。
几个点的符号还能排出解与已知数的大小顺序。设 a<b<ca<b<c,f(x)=(x−a)(x−b)+(x−b)(x−c)+(x−c)(x−a)f(x)=(x-a)(x-b)+(x-b)(x-c)+(x-c)(x-a):f(a)=(a−b)(a−c)>0f(a)=(a-b)(a-c)>0,f(b)=(b−c)(b−a)<0f(b)=(b-c)(b-a)<0,f(c)=(c−a)(c−b)>0f(c)=(c-a)(c-b)>0,x2x^2 的系数是 3>03>0。由异号可知两个解 α<β\alpha<\beta 满足 a<α<b<β<ca<\alpha<b<\beta<c,不用解方程。

定量表达

把方程写成 f(x)=0f(x)=0,x2x^2 的系数化成正数,再把题目的话逐句翻译。「两个不同的正的解」即两个解都大于 00:D>0D>0、轴 >0>0、f(0)>0f(0)>0。「一个正、一个负」即 00 夹在中间:只要 f(0)<0f(0)<0,也就是常数项为负。「一个解大于 11、另一个小于 11」:f(1)<0f(1)<0。

x2x^2 的系数含参数、开口方向不定时,用乘积写法最省事:「−1<x<0-1<x<0 与 1<x<21<x<2 内各有一个解」写成 f(−1)f(0)<0f(-1)f(0)<0 且 f(1)f(2)<0f(1)f(2)<0,开口向上向下都成立,不必分情况。

另一类问「解有几个」。参数只在常数项时把它移到一边:方程 g(x)=kg(x)=k 的实数解个数,就是图像 y=g(x)y=g(x) 与水平线 y=ky=k 的交点个数(定数分離)。画好 y=g(x)y=g(x),让水平线上下移动数交点。例如 ∣x2−4x+3∣=k|x^2-4x+3|=k:k<0k<0 时 00 个,k=0k=0 时 22 个,0<k<10<k<1 时 44 个,k=1k=1 时 33 个,k>1k>1 时 22 个。

α, β>k  ⟺  D≥0,  −b2a>k,  f(k)>0α, β<k  ⟺  D≥0,  −b2a<k,  f(k)>0α<k<β  ⟺  f(k)<0\begin{aligned} \alpha,\ \beta>k &\iff D\ge0,\ \ -\dfrac{b}{2a}>k,\ \ f(k)>0\\ \alpha,\ \beta<k &\iff D\ge0,\ \ -\dfrac{b}{2a}<k,\ \ f(k)>0\\ \alpha<k<\beta &\iff f(k)<0 \end{aligned}
f(x)f(x)
f(x)=ax2+bx+cf(x)=ax^2+bx+c,这里 a>0a>0(开口向上)
α, β\alpha,\ \beta
方程 f(x)=0f(x)=0 的两个实数解,α≤β\alpha\le\beta(重解时 α=β\alpha=\beta)
kk
题目给定的数(如 00、11),问解在它的哪一侧
DD
判别式 D=b2−4acD=b^2-4ac,管图像与 xx 轴有没有交点
−b2a-\dfrac{b}{2a}
轴 x=−b2ax=-\dfrac{b}{2a} 的位置;两个解关于它对称
f(k)f(k)
x=kx=k 处的函数值,正表示该处图像在 xx 轴上方
适用条件
  • a>0a>0。a<0a<0 时先两边乘 −1-1 把 x2x^2 的系数化正;也可以把 f(k)<0f(k)<0 写成 a f(k)<0a\,f(k)<0,两种开口一起管
  • 要「不同的两个解」时把 D≥0D\ge0 换成 D>0D>0;解允许等于 kk(「kk 以上」)时把 f(k)>0f(k)>0 换成 f(k)≥0f(k)\ge0,并把等号处代回检验
  • 两个解都在 p<x<qp<x<q 内:D≥0D\ge0,p<−b2a<qp<-\dfrac{b}{2a}<q,f(p)>0f(p)>0,f(q)>0f(q)>0
  • p<x<qp<x<q 内恰有一个解(pp、qq 本身不是解):f(p)f(q)<0f(p)f(q)<0,开口向上向下都适用

怎么用

四步:① 设 f(x)f(x),把 x2x^2 的系数化正;② 按题意画一张草图,标出 kk 或区间两端;③ 从图上读出条件,能省的省(f(k)<0f(k)<0 型不写 DD);④ 把几个关于参数的不等式各自解出,在数轴上取公共部分。EJU 的问法如「異なる2つの正の解をもつ」「0<x<10<x<1 の範囲に2つの解をもつ」「一方の解が 11 より大きく,他方が 11 より小さい」,空格多半是参数范围的端点。

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