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上一节配方法:从一般式到顶点式下一节判别式的图像意义
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数学二次函数与抛物线:从方程到模型零点与 x 轴交点

零点与 x 轴交点

二次函数的图像是一条抛物线。前面我们已经会从表达式看顶点、对称轴、开口方向,也会把一般式整理成顶点式。现在要把图像和方程接起来:当抛物线遇到 x 轴时,它告诉我们的不只是一个点,还告诉我们一个方程的解。

在坐标系里,x 轴上的点都有一个共同特征:纵坐标是 0。因此,如果二次函数 y=f(x)y=f(x)y=f(x) 的图像与 x 轴相交,就说明这些交点对应的函数值满足 f(x)=0f(x)=0f(x)=0。这些让函数值变成 0 的 x 值,叫作函数的零点。

二次函数零点知识地图,中心为 y=f(x),箭头连接图像的 x 轴交点、方程 f(x)=0 和答案根或零点,底部抛物线标出两个交点。

零点是一个 x 值,x 轴交点是一个坐标点。比如零点是 −1-1−1 和 333,对应的 x 轴交点是 (−1,0)(-1,0)(−1,0) 和 (3,0)(3,0)(3,0)。


零点到底是什么

设二次函数为:

f(x)=ax2+bx+cf(x)=ax^2+bx+cf(x)=ax2+bx+c

如果某个数 rrr 代入函数后得到 0,也就是:

f(r)=0f(r)=0f(r)=0

那么 rrr 就是这个函数的一个零点。这里的“零”说的是函数值为 0,不是说 xxx 本身一定等于 0。

例如:

f(x)=x2−2x−3f(x)=x^2-2x-3f(x)=x2−2x−3

当 x=−1x=-1x=−1 时:

f(−1)=(−1)2−2(−1)−3=0f(-1)=(-1)^2-2(-1)-3=0f(−1)=(−1)2−2(−1)−3=0

当 x=3x=3x=3 时:

f(3)=32−2⋅3−3=0f(3)=3^2-2\cdot3-3=0f(3)=32−2⋅3−3=0

所以这个函数的零点是 −1-1−1 和 333。在图像上,它们对应的点是 (−1,0)(-1,0)(−1,0) 和 (3,0)(3,0)(3,0)。

抛物线与 x 轴相交时,交点的横坐标就是函数零点。

不要把“零点”写成 (r,0)(r,0)(r,0)。零点回答的是“哪个 x 值让 y 等于 0”,所以零点写作 rrr;只有说“x 轴交点”时,才写作 (r,0)(r,0)(r,0)。


从函数到方程

二次函数和二次方程之间的联系,可以用一句话说明:求二次函数的零点,就是解一个二次方程。

如果:

y=f(x)=ax2+bx+cy=f(x)=ax^2+bx+cy=f(x)=ax2+bx+c

那么零点满足:

y=0y=0y=0

也就是:

ax2+bx+c=0ax^2+bx+c=0ax2+bx+c=0

这个方程的解,叫作二次方程的根。放到函数图像里看,根就是抛物线与 x 轴交点的横坐标。

从函数图像到方程 f(x)=0 的对应关系:图像交点、代数方程和根是同一件事的三种说法。

先把函数值看成图像上的纵坐标。若题目问零点,就等于在问图像上哪些位置的纵坐标是 0。

再把 yyy 换成 0。函数 y=ax2+bx+cy=ax^2+bx+cy=ax2+bx+c 在 x 轴上的位置满足 0=ax2+bx+c0=ax^2+bx+c0=ax2+bx+c。

最后解这个二次方程。解出来的每个 x 值,就是函数的零点,也是对应 x 轴交点的横坐标。

例如求 f(x)=x2−5x+6f(x)=x^2-5x+6f(x)=x2−5x+6 的零点,就是解:

x2−5x+6=0x^2-5x+6=0x2−5x+6=0

把左边因式分解:

(x−2)(x−3)=0(x-2)(x-3)=0(x−2)(x−3)=0

所以:

x=2或x=3x=2 \quad \text{或} \quad x=3x=2或x=3

函数的零点是 222 和 333,x 轴交点是 (2,0)(2,0)(2,0) 和 (3,0)(3,0)(3,0)。


从图像判断根的个数

二次方程 ax2+bx+c=0ax^2+bx+c=0ax2+bx+c=0 的实数解个数,可以直接从抛物线和 x 轴的关系看出来。

如果抛物线穿过 x 轴两次,就有两个不同的实数根;如果抛物线刚好碰到 x 轴一次,就有一个实数根,也可以说有一个重复根;如果抛物线没有碰到 x 轴,就没有实数根。

三栏教学图展示二次函数抛物线与 x 轴的三种关系:两个交点、一点相切、无交点。

这个判断不需要先算出根的具体数值。只要图像已经画好,就先看它和 x 轴有几个交点。

图像语言和方程语言是一一对应的:两个 x 轴交点对应两个实数根,一个接触点对应一个重复根,没有 x 轴交点对应没有实数根。

下面的交互可以拖动参数,观察同一类抛物线在上移、下移、左右移动或翻转时,零点个数怎样变化。


相切时为什么只算一个零点

有些抛物线不是穿过 x 轴,而是刚好碰到 x 轴后又转回去。比如:

f(x)=(x−2)2f(x)=(x-2)^2f(x)=(x−2)2

当 x=2x=2x=2 时:

f(2)=0f(2)=0f(2)=0

除此之外,任何其他 x 值代入后都会得到正数。因此它只有一个零点 222。

坐标平面上一条开口向上的蓝色抛物线,顶点在 (2,0) 并与 x 轴相切,顶点用红点标出,旁边标注重复根 x=2 和相切。

从方程角度看:

(x−2)2=0(x-2)^2=0(x−2)2=0

它也只要求 x−2=0x-2=0x−2=0,所以 x=2x=2x=2。因为同一个因式重复出现,我们说 x=2x=2x=2 是重复根。

相切不是“没有交点”。只要图像碰到了 x 轴,就有交点;只是这个交点只有一个,所以对应一个零点。


从图像读近似零点

有时图像给出的交点不一定落在整数刻度上。这时不必强行算出精确值,可以先从图像读出近似零点。

读图时要记住顺序:先找图像与 x 轴的交点,再读这些交点的横坐标。

从图像上读取近似零点时,要先看交点落在哪两个刻度之间,再估计横坐标。

如果交点大约在 x=0.5x=0.5x=0.5 和 x=4.5x=4.5x=4.5 附近,就可以说函数的零点约为 0.50.50.5 和 4.54.54.5。对应的方程有两个实数解,近似解也是这两个数。

先在图像上找到抛物线与 x 轴相交的位置。不要看它与 y 轴的交点,因为那对应的是 x=0x=0x=0 时的函数值。

再沿着交点向下或向上读 x 轴刻度。读到的是 x 值,不是 y 值。

如果交点在两个刻度之间,就给出合理近似,并用“约”等词说明它不是精确值。


例题:把图像、方程和根连起来

已知二次函数:

f(x)=x2−4x−5f(x)=x^2-4x-5f(x)=x2−4x−5

求它的零点,并写出对应的 x 轴交点。

零点满足 f(x)=0f(x)=0f(x)=0,所以先列出方程:

x2−4x−5=0x^2-4x-5=0x2−4x−5=0

对左边因式分解:

x2−4x−5=(x−5)(x+1)x^2-4x-5=(x-5)(x+1)x2−4x−5=(x−5)(x+1)

让每个因式分别等于 0:

x−5=0x-5=0x−5=0x+1=0x+1=0x+1=0

所以:

x=5或x=−1x=5 \quad \text{或} \quad x=-1x=5或x=−1

函数的零点是 555 和 −1-1−1。因为 x 轴上的点纵坐标为 0,所以对应的 x 轴交点是 (5,0)(5,0)(5,0) 和 (−1,0)(-1,0)(−1,0)。

同一个结果也可以从图像理解:抛物线 y=x2−4x−5y=x^2-4x-5y=x2−4x−5 与 x 轴相交两次,所以方程 x2−4x−5=0x^2-4x-5=0x2−4x−5=0 有两个实数根,根就是这两个交点的横坐标。


练习:先判断,再计算

下面的交互练习会给出不同位置的抛物线。先不要急着算式子,先根据图像判断方程有几个实数解。

  1. 函数 f(x)=x2−6x+8f(x)=x^2-6x+8f(x)=x2−6x+8 的零点是多少?对应的 x 轴交点是什么?

先解方程:

x2−6x+8=0x^2-6x+8=0x2−6x+8=0

因式分解得:

(x−2)(x−4)=0(x-2)(x-4)=0(x−2)(x−4)=0

所以零点是 222 和 444,对应的 x 轴交点是 (2,0)(2,0)(2,0) 和 (4,0)(4,0)(4,0)。

  1. 函数 g(x)=(x+3)2g(x)=(x+3)^2g(x)=(x+3)2 有几个零点?图像与 x 轴是什么关系?

因为平方等于 0 只可能来自括号内为 0,所以:

x+3=0x+3=0x+3=0

解得 x=−3x=-3x=−3。函数只有一个零点 −3-3−3,图像在 (−3,0)(-3,0)(−3,0) 处与 x 轴相切。

  1. 如果一条开口向上的抛物线的顶点在 x 轴上方,它对应的二次方程有几个实数根?

开口向上的抛物线如果顶点已经在 x 轴上方,那么整条抛物线都在 x 轴上方,不会与 x 轴相交。因此对应的二次方程没有实数根。

  1. 某个二次函数的图像与 x 轴交于 (−2,0)(-2,0)(−2,0) 和 (6,0)(6,0)(6,0)。它的零点是什么?对应方程有几个实数根?

零点只取交点的横坐标,所以零点是 −2-2−2 和 666。图像与 x 轴有两个不同交点,因此对应的二次方程有两个实数根。


小结

零点把二次函数、抛物线和二次方程连在一起。看函数时,零点是让 f(x)=0f(x)=0f(x)=0 的 x 值;看图像时,它是 x 轴交点的横坐标;看方程时,它就是二次方程的根。

判断根的个数时,先看抛物线与 x 轴的关系:穿过两次、相切一次、完全不碰,分别对应两个实数根、一个重复根、没有实数根。下一步再学习判别式时,我们会看到同样的判断也可以从 b2−4acb^2-4acb2−4ac 这个代数式里读出来。

零点、x 轴交点、二次方程的根和函数值为 0 的输入之间的关系整理。

  • 零点到底是什么
  • 从函数到方程
  • 从图像判断根的个数
  • 相切时为什么只算一个零点
  • 从图像读近似零点
  • 例题:把图像、方程和根连起来
  • 练习:先判断,再计算
  • 小结

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  • 零点到底是什么
  • 从函数到方程
  • 从图像判断根的个数
  • 相切时为什么只算一个零点
  • 从图像读近似零点
  • 例题:把图像、方程和根连起来
  • 练习:先判断,再计算
  • 小结