二次函数

在数学中，二次函数（英語：quadratic function）表示形为 ${\displaystyle f(x)=ax^{2}+bx+c\,\!}$（${\displaystyle a\neq 0\,\!}$，且${\displaystyle a}$、${\displaystyle b}$、${\displaystyle c}$是常数）的多项式函数，其中，${\displaystyle x}$为自变量^[a]，${\displaystyle a}$、${\displaystyle b}$、${\displaystyle c}$分别是函数解析式的二次项系数、一次项系数和常数项。二次函数的图像是一条主轴平行于${\displaystyle y}$轴的抛物线。^[1]

解析式：${\displaystyle f(x)=x^{2}-x-2\,\!}$

二次函数表达式${\displaystyle ax^{2}+bx+c}$的定义是一个二次多项式，因为${\displaystyle x}$的最高冪次是2。

如果令二次函数的值等于零，则可得一个一元二次方程式、二次方程式。该方程的解称为方程的根或函数的零点。

历史

大约在公元前480年，古巴比伦人和中国人已经使用配方法求得了二次方程的正根，但是并没有提出通用的求解方法。公元前300年左右，欧几里得提出了一种更抽象的几何方法求解二次方程。

7世纪印度的婆罗摩笈多是第一位懂得用使用代数方程的人，它同时容许有正负数的根。^[b]

11世纪阿拉伯的花拉子米独立地发展了一套公式以求方程的正数解。亚伯拉罕·巴希亚（亦以拉丁文名字萨瓦索达著称）在他的著作Liber embadorum，首次将完整的一元二次方程解法传入欧洲。^[c]

根

更多信息：二次方程和韦达定理

二次方程 ${\displaystyle ax^{2}+bx+c=0\,\!}$  的两个根为：

$${\displaystyle x={\frac {-b\pm {\sqrt {b^{2}-4ac}}}{2a}}}$$

 

解方程后，我们会得到两个根：${\displaystyle x_{1}}$ 和${\displaystyle x_{2}}$ 。则点${\displaystyle (x_{1},0)}$ 和${\displaystyle (x_{2},0)}$ 就是二次函数与${\displaystyle x}$ 轴的交点。根的类型如下：

• 设${\displaystyle \Delta =b^{2}-4ac\,}$ 為一元二次方程式的判別式，又記作D。
• 當${\displaystyle \Delta >0\,\!}$ ，则方程有两个不相等的根，也即与${\displaystyle x}$ 轴有两个不重疊的交点，因为${\displaystyle {\sqrt {\Delta }}}$ 是正数。
• 當${\displaystyle \Delta =0\,\!}$ ，则方程有两个相等的根，也即与${\displaystyle x}$ 轴有一个切点，因为${\displaystyle {\sqrt {\Delta }}}$ 是零。
• 當${\displaystyle \Delta <0\,\!}$ ，则方程没有實數根，也即与 ${\displaystyle x}$  轴没有交点，因为${\displaystyle {\sqrt {\Delta }}}$ 是共軛複數。

设${\displaystyle r_{1}={\frac {-b+{\sqrt {b^{2}-4ac}}}{2a}}}$ 和${\displaystyle r_{2}={\frac {-b-{\sqrt {b^{2}-4ac}}}{2a}}}$ ，我们可以把${\displaystyle ax^{2}+bx+c\,\!}$ 因式分解为${\displaystyle a(x-r_{1})(x-r_{2})\,\!}$ 。

二次函数的形式

二次函数可以表示成以下三种形式：

• ${\displaystyle f(x)=ax^{2}+bx+c\,\!}$  称为一般形式或多项式形式。
• ${\displaystyle f(x)=a(x-r_{1})(x-r_{2})\,\!}$  称为因子形式或交点式，其中${\displaystyle r_{1}}$ 和${\displaystyle r_{2}}$ 是二次方程的两个根，${\displaystyle (r_{1},0)}$ ,${\displaystyle (r_{2},0)}$  是抛物线与${\displaystyle x}$ 轴的两个交点。
• ${\displaystyle f(x)=a(x-h)^{2}+k\,\!}$  称为标准形式或顶点形式，${\displaystyle (h,k)}$ 即為此二次函數的頂點。

把一般形式转换成因子形式时，我们需要用求根公式来算出两个根${\displaystyle r_{1}}$ 和${\displaystyle r_{2}}$ ，或是利用十字交乘法（適用於有理數）。把一般形式转换成标准形式时，我们需要用配方法。把因子形式转换成一般形式时，我们需要把两个因式相乘并展开。把因子形式轉換成標準形式有特殊的方法。

${\displaystyle h}$ 代表了二次函數的對稱軸，因此兩根的平均數即為${\displaystyle h}$ 

• ${\displaystyle k}$ 展開後比較後可得 ${\displaystyle k=-a\left({\frac {|r_{1}-r_{2}|}{2}}\right)^{2}}$ 

不通過${\displaystyle r_{1}}$ 和${\displaystyle r_{2}}$ 求${\displaystyle k}$ 及${\displaystyle h}$ 公式：

• ${\displaystyle h=-{\frac {b}{2a}}}$ 
• ${\displaystyle k=-{\frac {b^{2}-4ac}{4a}}}$  (也作${\displaystyle k={\frac {4ac-b^{2}}{4a}}}$ )

而在三種形式中皆出現的${\displaystyle a}$ 為此二次函數的領導係數，決定二次函數圖像開口的大小與方向。

图像

 

${\displaystyle f(x)=ax^{2},\!}$ ${\displaystyle a=\{0.1,0.3,1,3\}\!}$ 

 

${\displaystyle f(x)=x^{2}+bx,\!}$  ${\displaystyle b=\{1,2,3,4\}\!}$ 

 

${\displaystyle f(x)=x^{2}+bx,\!}$  ${\displaystyle b=\{-1,-2,-3,-4\}\!}$ 

• 系数${\displaystyle a}$ 控制了二次函数从顶点的增长（或下降）速度，即二次函数开口方向和大小。${\displaystyle |a|}$ 越大，开口越小，函数就增长得越快。
• 系数${\displaystyle b}$ 和${\displaystyle a}$ 控制了抛物线的对称轴（以及顶点的${\displaystyle x}$ 坐标）。
• 系数${\displaystyle b}$ 控制了抛物线穿过${\displaystyle y}$ 轴时的倾斜度（导数）。
• 系数${\displaystyle c}$ 控制了抛物线最低点或最高点的高度，它是抛物线与${\displaystyle y}$ 轴的交点。

函数	图像			函数变化	对称轴	开口方向	最大（小）值
${\displaystyle y=ax^{2}}$	${\displaystyle a>0}$			当${\displaystyle x>0}$ 时，${\displaystyle y}$ 随${\displaystyle x}$ 的增大而增大； 当${\displaystyle x<0}$ 时，${\displaystyle y}$ 随${\displaystyle x}$  的减小而增大	${\displaystyle y}$ 轴 或${\displaystyle x=0}$	向上	${\displaystyle 0}$
${\displaystyle y=ax^{2}}$	${\displaystyle a<0}$			当${\displaystyle x>0}$ 时，${\displaystyle y}$ 随${\displaystyle x}$  的增大而减小； 当${\displaystyle x<0}$ 时，${\displaystyle y}$ 随${\displaystyle x}$  的减小而减小	${\displaystyle y}$ 轴 或${\displaystyle x=0}$	向下	${\displaystyle 0}$
${\displaystyle y=ax^{2}+c}$	${\displaystyle a>0}$			当${\displaystyle x>0}$ 时，${\displaystyle y}$ 随${\displaystyle x}$  的增大而增大； 当${\displaystyle x<0}$ 时，${\displaystyle y}$ 随${\displaystyle x}$  的减小而增大	${\displaystyle y}$ 轴 或${\displaystyle x=0}$	向上	${\displaystyle c}$
${\displaystyle y=ax^{2}+c}$	${\displaystyle a<0}$			当${\displaystyle x>0}$ 时，${\displaystyle y}$ 随${\displaystyle x}$ 的增大而减小； 当${\displaystyle x<0}$ 时，${\displaystyle y}$ 随${\displaystyle x}$  的减小而减小	${\displaystyle y}$  轴 或 ${\displaystyle x=0}$	向下	${\displaystyle c}$
${\displaystyle y=ax^{2}+bx+c}$	${\displaystyle a>0}$			当${\displaystyle x>-{\frac {b}{2a}}}$ 时，${\displaystyle y}$  随${\displaystyle x}$ 的增大而增大； 当${\displaystyle x<-{\frac {b}{2a}}}$ 时，${\displaystyle y}$ 随${\displaystyle x}$ 的减小而增大	${\displaystyle x=-{\frac {b}{2a}}}$	向上	${\displaystyle -{\frac {b^{2}-4ac}{4a}}}$
${\displaystyle y=ax^{2}+bx+c}$	${\displaystyle a<0}$			当${\displaystyle x>-{\frac {b}{2a}}}$ 时，${\displaystyle y}$  随${\displaystyle x}$ 的增大而减小； 当${\displaystyle x<-{\frac {b}{2a}}}$ 时，${\displaystyle y}$ 随${\displaystyle x}$ 的减小而减小	${\displaystyle x=-{\frac {b}{2a}}}$	向下	${\displaystyle -{\frac {b^{2}-4ac}{4a}}}$

x 截距

当函数与${\displaystyle x}$ 轴有两个交点时，设这两个交点分别为 ${\displaystyle A(x_{1},0),\,B(x_{2},0)}$ ，由根与系数的关系得出^[d]：${\displaystyle x_{1}+x_{2}=-{\frac {b}{a}}}$ 和${\displaystyle x_{1}x_{2}={\frac {c}{a}}}$ 

${\displaystyle {\begin{aligned}\therefore AB&=|x_{2}-x_{1}|\\&=\left|{\sqrt {(x_{2}-x_{1})^{2}}}\right|\\&=\left|{\sqrt {(x_{1}+x_{2})^{2}-4x_{1}x_{2}}}\right|\\&=\left|{\sqrt {\left(-{\frac {b}{a}}\right)^{2}-{\frac {4c}{a}}}}\right|\\&=\left|{\sqrt {{\frac {b^{2}}{a^{2}}}-{\frac {4ac}{a^{2}}}}}\right|\\&=\left|{\sqrt {\frac {b^{2}-4ac}{a^{2}}}}\right|\\&={\frac {\sqrt {b^{2}-4ac}}{|a|}}\ \ \ \ {\text{或}}\ \ \ \ {\frac {\sqrt {\Delta }}{|a|}}\end{aligned}}}$ 

顶点

抛物线的顶点是它转弯的地方，也称为驻点。如果二次函数是标准形式，则顶点为${\displaystyle (h,k)\,\!}$ 。用配方法，可以把一般形式${\displaystyle f(x)=ax^{2}+bx+c\,\!}$ 化为：

$${\displaystyle f(x)=a\left(x+{\frac {b}{2a}}\right)^{2}+{\frac {4ac-b^{2}}{4a}}}$$

 

^[2][3]

因此在一般形式中，抛物线的顶点是：

$${\displaystyle \left(-{\frac {b}{2a}},-{\frac {\Delta }{4a}}\right)}$$

 

如果二次函数是因子形式${\displaystyle f(x)=a(x-r_{1})(x-r_{2})\,\!}$ ，则两个根的平均数

$${\displaystyle {\frac {r_{1}+r_{2}}{2}}\,\!}$$

 

就是顶点的${\displaystyle x}$ 坐标，因此顶点位于

$${\displaystyle \left({\frac {r_{1}+r_{2}}{2}},f({\frac {r_{1}+r_{2}}{2}})\right)\!}$$

 

${\displaystyle a<0\,\!}$ 时，顶点也是最大值；${\displaystyle a>0\,\!}$ 时，则是最小值。

经过顶点的竖直线

$${\displaystyle x=h=-{\frac {b}{2a}}}$$

 

又称为抛物线的对称轴。

最大值和最小值

函数的最大值和最小值总是在驻点（又称临界点，稳定点）取得。以下的方法是用导数法来推导相同的事实，这种方法的好处是适用于更一般的函数。

设有函数${\displaystyle f(x)=ax^{2}+bx+c\,\!}$ ，寻找它的極值时，我们必须先求出它的导数：

$${\displaystyle f(x)=ax^{2}+bx+c\Leftrightarrow \,\!f'(x)=2ax+b\,\!}$$

 

然后，求出${\displaystyle f'(x)\,\!}$ 的根：

$${\displaystyle 2ax+b=0\Rightarrow \,\!2ax=-b\Rightarrow \,\!x=-{\frac {b}{2a}}}$$

 

因此，${\displaystyle -{\frac {b}{2a}}}$ 是${\displaystyle f(x)\,\!}$ 的${\displaystyle x\,\!}$ 值。现在，为了求出${\displaystyle y\,\!}$ ，我们把${\displaystyle x=-{\frac {b}{2a}}}$ 代入 ${\displaystyle f(x)\,\!}$ ：

$${\displaystyle y=a\left(-{\frac {b}{2a}}\right)^{2}+b\left(-{\frac {b}{2a}}\right)+c\Rightarrow y={\frac {ab^{2}}{4a^{2}}}-{\frac {b^{2}}{2a}}+c\Rightarrow y={\frac {b^{2}}{4a}}-{\frac {b^{2}}{2a}}+c\Rightarrow y={\frac {b^{2}-2b^{2}+4ac}{4a}}\Rightarrow y={\frac {-b^{2}+4ac}{4a}}\Rightarrow y=-{\frac {(b^{2}-4ac)}{4a}}\Rightarrow y=-{\frac {\Delta }{4a}}}$$

 

所以，最大值或最小值的坐标为：

$${\displaystyle \left(-{\frac {b}{2a}},-{\frac {\Delta }{4a}}\right)}$$

 

二次函数的平方根

二次函数的平方根的图像要么是椭圆，要么是双曲线。如果${\displaystyle a>0\,\!}$ ，则方程${\displaystyle y=\pm {\sqrt {ax^{2}+bx+c}}}$ 描述了一条双曲线。该双曲线的轴由对应的抛物线${\displaystyle y_{p}=ax^{2}+bx+c\,\!}$ 的最小值决定。如果最小值是负数，则双曲线的轴是水平的。如果是正数，则双曲线的轴是竖直的。如果${\displaystyle a<0\,\!}$ ，则方程${\displaystyle y=\pm {\sqrt {ax^{2}+bx+c}}}$ 的图像要么是一个椭圆，要么什么也没有。如果对应的抛物线${\displaystyle y_{p}=ax^{2}+bx+c\,\!}$ 的最大值是正数，则它的平方根描述了一个椭圆。如果是负数，则描述了一个空集。

二元二次函数

二元二次函数是以下形式的二次多项式：

$${\displaystyle f(x,y)=Ax^{2}+By^{2}+Cx+Dy+Exy+F\,\!}$$

 

这个函数描述了一个二次曲面。把${\displaystyle f(x,y)\,\!}$ 设为零，则描述了曲面与平面${\displaystyle z=0\,\!}$ 的交线，它是一条圆锥曲线。

最小值/最大值

如果${\displaystyle 4AB-E^{2}<0\,}$ ，则函数没有最大值或最小值，其图像是双曲抛物面。

如果 ${\displaystyle 4AB-E^{2}>0\,}$ ，则当${\displaystyle A>0}$ 时函数具有最小值，当${\displaystyle A<0}$ 具有最大值。其图像是椭圆抛物面。

二元二次函数的最大值或最小值在点 ${\displaystyle (x_{m},y_{m})\,}$  取得，其中：

$${\displaystyle x_{m}=-{\frac {2BC-DE}{4AB-E^{2}}}}$$

 

$${\displaystyle y_{m}=-{\frac {2AD-CE}{4AB-E^{2}}}}$$

 

如果${\displaystyle 4AB-E^{2}=0\,}$ 且${\displaystyle DE-2CB=2AD-CE\neq 0\,}$ ，则函数没有最大值或最小值，其图像是抛物柱面。

如果${\displaystyle 4AB-E^{2}=0\,}$ 且${\displaystyle DE-2CB=2AD-CE=0\,}$ ，则函数在一条直线上取得最大值/最小值。当${\displaystyle A>0}$ 时取得最大值，${\displaystyle A<0}$ 时取得最小值。其图像也是抛物柱面。

註釋

1. 注：自变量${\displaystyle x}$ 的取值范围为任何实数
2. 参见婆羅摩笈多#代數
3. 参见花拉子米#代數
4. 参见韦达定理

参考资料

1. 数学. 北京: 北京师范大学出版社. 2014. ISBN 9787303136933.  使用|accessdate=需要含有|url= (帮助)
2. 贾士代. 初中代数41讲. 北京: 首都师范大学出版社. : 49–55. ISBN 7-81039-028-7. 
3. WebGraphing.com 用配方法解一元二次方程. [2015-08-06]. （原始内容于2015-07-29）.  （页面存档备份，存于互联网档案馆）

参考书目

• 《代数1》， Glencoe, ISBN 0-07-825083-8
• 《代数2》，Saxon, ISBN 0-939798-62-X

參見

• 抛物线

外部連結

• 埃里克·韦斯坦因. Quadratic. MathWorld.