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例2:二次函数最值应用

函数零点、函数模型与二次函数 · 高一
先确认一下:这一关能不能学
先会这个
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 利用二次函数图像性质,在给定定义域内求函数最大值或最小值的方法。

从哪来 本知识点为高一数学起点,直接基于初中已掌握的二次函数解析式、顶点坐标公式及基本图像特征进行深化应用。

为什么 二次函数图像是抛物线,具有唯一的对称轴和顶点。顶点是图像的“极值点”,而定义域限制了取值范围。最值必然出现在“顶点”或“定义域端点”之一。若顶点在定义域内,顶点即为最值点;若顶点在定义域外,则函数在定义域内单调,最值在离对称轴最近的端点取得。这是由抛物线的几何对称性和单调性决定的。

讲法
适合:形象思维强、喜欢直观演示的学生 采用“动态扫描法”。在坐标系中画出抛物线,用一条垂直线代表定义域区间 [m, n]。让学生想象这条线在抛物线上滑动,观察最高点和最低点的位置变化。强调“看顶点是否在区间内”,若在内,顶点就是最值;若在外,比较两端点函数值。通过动画演示不同区间位置(顶点在左、中、右)下的最值变化,建立几何直观。
讲法
适合:逻辑推理强、偏好代数推导的学生 采用“分类讨论法”。将问题转化为代数比较。设二次函数 $f(x)=a(x-h)^2+k$,定义域为 $[m,n]$。 1. 若 $m < h < n$,则顶点在区间内,最值为 $k$($a>0$ 时最小,$a<0$ 时最大)。 2. 若 $h \le m$ 或 $h \ge n$,则函数在区间内单调,最值在端点取得,比较 $f(m)$ 和 $f(n)$。 通过代数不等式推导,证明为何顶点在区间内时必为最值,强化逻辑严密性。
讲法
适合:抽象思维强、喜欢规律总结的学生 采用“距离决策法”。核心口诀:“离对称轴越近,函数值越接近顶点值”。 - 求最值时,先计算定义域两个端点 $m, n$ 到对称轴 $x=h$ 的距离 $|m-h|$ 和 $|n-h|$。 - 若顶点在定义域内,顶点即为最值。 - 若顶点不在定义域内,则距离对称轴较远的端点函数值更“极端”($a>0$ 时更大,$a<0$ 时更小)。 通过距离比较快速判断端点大小,简化计算过程。
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练一道
基础题
求函数 $f(x) = x^2 - 4x + 3$ 在区间 $[0, 3]$ 上的最大值和最小值。
变式
求函数 $f(x) = -x^2 + 2x + 2$ 在区间 $[t, t+1]$ 上的最大值 $M(t)$。
试试手自己判
检测题
已知函数 $f(x) = x^2 - 2x + 2$,若其在区间 $[a, a+2]$ 上的最小值为 $1$,求实数 $a$ 的值。
看答案和判分标准
答案:$a = 0$ 或 $a = 1$。
判对标准:
1. 正确配方得 $f(x) = (x-1)^2 + 1$,对称轴 $x=1$,顶点 $(1, 1)$。
2. 正确分类讨论:
- 若顶点在区间内,即 $a \le 1 \le a+2$,解得 $-1 \le a \le 1$,此时最小值为 $1$,符合题意。
- 若顶点在区间左侧,即 $1 < a$,函数单调递增,最小值为 $f(a) = a^2 - 2a + 2 = 1$,解得 $a=1$ 或 $a=2$,但 $a>1$,故 $a=2$。
- 若顶点在区间右侧,即 $a+2 < 1$,解得 $a < -1$,函数单调递减,最小值为 $f(a+2) = (a+2)^2 - 2(a+2) + 2 = a^2 + 2a + 2 = 1$,解得 $a=-1$ 或 $a=-3$,但 $a<-1$,故 $a=-3$。
3. 综合以上,$a$ 的取值范围为 $[-1, 1]$ 或 $a=2$ 或 $a=-3$。但题目要求最小值为 $1$,而顶点纵坐标即为 $1$,故只要顶点在区间内,最小值必为 $1$。若顶点不在区间内,最小值必大于 $1$(因为 $f(x) \ge 1$)。因此,只需顶点在区间内即可,即 $-1 \le a \le 1$。
修正:题目问的是“最小值为1”,而 $f(x)$ 的全局最小值就是1。所以只要区间包含顶点 $x=1$,最小值就是1。如果区间不包含顶点,最小值一定大于1。因此,条件等价于区间 $[a, a+2]$ 包含 $1$,即 $a \le 1 \le a+2$,解得 $-1 \le a \le 1$。
最终答案:$a$ 的取值范围是 $[-1, 1]$。
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