第二章二次函数与命题(高中数学竞赛标准教材)

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第二章 二次函数与命题

一、基础知识
1.二次函数:当 0时,y=ax2+bx+c或f(x)=ax2+bx+c称为关于x的二次函数,其对称轴为直线x=- ,另外配方可得f(x)=a(x-x0)2+f(x0),其中x0=- ,下同。
2.二次函数的性质:当a>0时,f(x)的图象开口向上,在区间(-∞,x0]上随自变量x增大函数值减小(简称递减),在[x0, -∞)上随自变量增大函数值增大(简称递增)。当a<0时,情况相反。
3.当a>0时,方程f(x)=0即ax2+bx+c=0…①和不等式ax2+bx+c>0…②及ax2+bx+c<0…③与函数f(x)的关系如下(记△=b2-4ac)。
1)当△>0时,方程①有两个不等实根,设x1,x2(x1x2}和{xx12)当△=0时,方程①有两个相等的实根x1=x2=x0= ,不等式②和不等式③的解集分别是{xx }和空集 ,f(x)的图象与x轴有唯一公共点。
3)当△<0时,方程①无解,不等式②和不等式③的解集分别是R和 .f(x)图象与x轴无公共点。
当a<0时,请读者自己分析。
4.二次函数的最值:若a>0,当x=x0时,f(x)取最小值f(x0)= ,若a<0,则当x=x0= 时,f(x)取最大值f(x0)= .对于给定区间[m,n]上的二次函数f(x)=ax2+bx+c(a>0),当x0∈[m, n]时,f(x)在[m, n]上的最小值为f(x0); 当x0n时,f(x)在[m, n]上的最小值为f(n)(以上结论由二次函数图象即可得出)。
定义1 能判断真假的语句叫命题,如“3>5”是命题,“萝卜好大”不是命题。不含逻辑联结词“或”、“且”、“非”的命题叫做简单命题,由简单命题与逻辑联结词构成的命题由复合命题。
注1 “p或q”复合命题只有当p,q同为假命题时为假,否则为真命题;“p且q”复合命题只有当p,q同时为真命题时为真,否则为假命题;p与“非p”即“p”恰好一真一假。
定义2 原命题:若p则q(p为条件,q为结论);逆命题:若q则p;否命题:若非p则q;逆否命题:若非q则非p。
注2 原命题与其逆否命题同真假。一个命题的逆命题和否命题同真假。
注3 反证法的理论依据是矛盾的排中律,而未必是证明原命题的逆否命题。
定义3 如果命题“若p则q”为真,则记为p q否则记作p q.在命题“若p则q”中,如果已知p q,则p是q的充分条件;如果q p,则称p是q的必要条件;如果p q但q不 p,则称p是q的充分非必要条件;如果p不 q但p q,则p称为q的必要非充分条件;若p q且q p,则p是q的充要条件。
二、方法与例题
1.待定系数法。
例1 设方程x2-x+1=0的两根是α,β,求满足f(α)=β,f(β)=α,f(1)=1的二次函数f(x).
【解】 设f(x)=ax2+bx+c(a 0),
则由已知f(α)=β,f(β)=α相减并整理得(α-β)[(α+β)a+b+1]=0,
因为方程x2-x+1=0中△ 0,
所以α β,所以(α+β)a+b+1=0.
又α+β=1,所以a+b+1=0.
又因为f(1)=a+b+c=1,
所以c-1=1,所以c=2.
又b=-(a+1),所以f(x)=ax2-(a+1)x+2.
再由f(α)=β得aα2-(a+1)α+2=β,
所以aα2-aα+2=α+β=1,所以aα2-aα+1=0.
即a(α2-α+1)+1-a=0,即1-a=0,
所以a=1,
所以f(x)=x2-2x+2.
2.方程的思想。
例2 已知f(x)=ax2-c满足-4≤f(1)≤-1, -1≤f(2)≤5,求f(3)的取值范围。
【解】 因为-4≤f(1)=a-c≤-1,
所以1≤-f(1)=c-a≤4.
又-1≤f(2)=4a-c≤5, f(3)= f(2)- f(1),
所以 ×(-1)+ ≤f(3)≤ ×5+ ×4,
所以-1≤f(3)≤20.
3.利用二次函数的性质。
例3 已知二次函数f(x)=ax2+bx+c(a,b,c∈R, a 0),若方程f(x)=x无实根,求证:方程f(f(x))=x也无实根。
【证明】若a>0,因为f(x)=x无实根,所以二次函数g(x)=f(x)-x图象与x轴无公共点且开口向上,所以对任意的x∈R,f(x)-x>0即f(x)>x,从而f(f(x))>f(x)。
所以f(f(x))>x,所以方程f(f(x))=x无实根。
注:请读者思考例3的逆命题是否正确。
4.利用二次函数表达式解题。
例4 设二次函数f(x)=ax2+bx+c(a>0),方程f(x)=x的两根x1, x2满足0(Ⅰ)当x∈(0, x1)时,求证:x(Ⅱ)设函数f(x)的图象关于x=x0对称,求证:x0<
【证明】 因为x1, x2是方程f(x)-x=0的两根,所以f(x)-x=a(x-x1)(x-x2),
即f(x)=a(x-x1)(x-x2)+x.
(Ⅰ)当x∈(0, x1)时,x-x1<0, x-x2<0, a>0,所以f(x)>x.
其次f(x)-x1=(x-x1)[a(x-x2)+1]=a(x-x1)[x-x2+ ]<0,所以f(x)综上,x(Ⅱ)f(x)=a(x-x1)(x-x2)+x=ax2+[1-a(x1+x2)]x+ax1x2,
所以x0= ,
所以 ,
所以
5.构造二次函数解题。
例5 已知关于x的方程(ax+1)2=a2(a-x2), a>1,求证:方程的正根比1小,负根比-1大。
【证明】 方程化为2a2x2+2ax+1-a2=0.
构造f(x)=2a2x2+2ax+1-a2,
f(1)=(a+1)2>0, f(-1)=(a-1)2>0, f(0)=1-a2<0, 即△>0,
所以f(x)在区间(-1,0)和(0,1)上各有一根。
即方程的正根比1小,负根比-1大。
6.定义在区间上的二次函数的最值。
例6 当x取何值时,函数y= 取最小值?求出这个最小值。
【解】 y=1- ,令 u,则0y=5u2-u+1=5 ,
且当 即x= 3时,ymin= .
例7 设变量x满足x2+bx≤-x(b<-1),并且x2+bx的最小值是 ,求b的值。
【解】 由x2+bx≤-x(b<-1),得0≤x≤-(b+1).
?)- ≤-(b+1),即b≤-2时,x2+bx的最小值为- ,所以b2=2,所以 (舍去)。
?) - >-(b+1),即b>-2时,x2+bx在[0,-(b+1)]上是减函数,
所以x2+bx的最小值为b+1,b+1=- ,b=- .
综上,b=- .
7.一元二次不等式问题的解法。
例8 已知不等式组 ①②的整数解恰好有两个,求a的取值范围。
【解】 因为方程x2-x+a-a2=0的两根为x1=a, x2=1-a,
若a≤0,则x11-2a.
因为1-2a≥1-a,所以a≤0,所以不等式组无解。
若a>0,?)当0因为0?)当a= 时,a=1-a,①无解。
?)当a> 时,a>1-a,由②得x>1-2a,
所以不等式组的解集为1-a又不等式组的整数解恰有2个,
所以a-(1-a)>1且a-(1-a)≤3,
所以1综上,a的取值范围是18.充分性与必要性。
例9 设定数A,B,C使得不等式
A(x-y)(x-z)+B(y-z)(y-x)+C(z-x)(z-y)≥0 ①
对一切实数x,y,z都成立,问A,B,C应满足怎样的条件?(要求写出充分必要条件,而且限定用只涉及A,B,C的等式或不等式表示条件)
【解】 充要条件为A,B,C≥0且A2+B2+C2≤2(AB+BC+CA).
先证必要性,①可改写为A(x-y)2-(B-A-C)(y-z)(x-y)+C(y-z)2≥0 ②
若A=0,则由②对一切x,y,z∈R成立,则只有B=C,再由①知B=C=0,若A 0,则因为②恒成立,所以A>0,△=(B-A-C)2(y-z)2-4AC(y-z)2≤0恒成立,所以(B-A-C)2-4AC≤0,即A2+B2+C2≤2(AB+BC+CA)
同理有B≥0,C≥0,所以必要性成立。
再证充分性,若A≥0,B≥0,C≥0且A2+B2+C2≤2(AB+BC+CA),
1)若A=0,则由B2+C2≤2BC得(B-C)2≤0,所以B=C,所以△=0,所以②成立,①成立。
2)若A>0,则由③知△≤0,所以②成立,所以①成立。
综上,充分性得证。
9.常用结论。
定理1 若a, b∈R, a-b≤a+b≤a+b.
【证明】 因为-a≤a≤a,-b≤b≤b,所以-(a+b)≤a+b≤a+b,
所以a+b≤a+b(注:若m>0,则-m≤x≤m等价于x≤m).
又a=a+b-b≤a+b+-b,
即a-b≤a+b.综上定理1得证。
定理2 若a,b∈R, 则a2+b2≥2ab;若x,y∈R+,则x+y≥
(证略)
注 定理2可以推广到n个正数的情况,在不等式证明一章中详细论证。
三、基础训练题
1.下列四个命题中属于真命题的是________,①“若x+y=0,则x、y互为相反数”的逆命题;②“两个全等三角形的面积相等”的否命题;③“若q≤1,则x2+x+q=0有实根”的逆否命题;④“不等边三角形的三个内角相等”的逆否命题。
2.由上列各组命题构成“p或q”,“p且q”,“非p”形式的复合命题中,p或q为真,p且q为假,非p为真的是_________.①p;3是偶数,q:4是奇数;②p:3+2=6,q:③p:a∈(a,b),q:{a} {a,b}; ④ p: Q R, q: N=Z.
3. 当x-24. 不等式ax2+(ab+1)x+b>0的解是15. x 1且x 2是x-1 的__________条件,而-26.命题“垂直于同一条直线的两条直线互相平行”的逆命题是_________.
7.若S={xmx2+5x+2=0}的子集至多有2个,则m的取值范围是_________.
8. R为全集,A={x3-x≥4}, B= , 则(CRA)∩B=_________.
9. 设a, b是整数,集合A={(x,y)(x-a)2+3b≤6y},点(2,1)∈A,但点(1,0) A,(3,2) A则a,b的值是_________.
10.设集合A={xx<4}, B={xx2-4x+3>0},则集合{xx∈A且x A∩B}=_________.
11. 求使不等式ax2+4x-1≥-2x2-a对任意实数x恒成立的a的取值范围。
12.对任意x∈[0,1],有 ①②成立,求k的取值范围。
四、高考水平训练题
1.若不等式x-a2.使不等式x2+(x-6)x+9>0当a≤1时恒成立的x的取值范围是_________.
3.若不等式-x2+kx-4<0的解集为R,则实数k的取值范围是_________.
4.若集合A={xx+7>10}, B={xx-55.设a1、a2, b1、b2, c1、c2均为非零实数,不等式a1x2+b1x+c1>0和a2x2+b2x+c2>0解集分别为M和N,那么“ ”是“M=N”的_________条件。
6.若下列三个方程x2+4ax-4a+3=0, x2+(a-1)x+a2=0, x2+2ax-2a=0中至少有一个方程有实根,则实数a的取值范围是_________.
7.已知p, q都是r的必要条件,s是r的充分条件,q是s的充分条件,则r是q的_________条件。
8.已知p: 1- ≤2, q: x2-2x+1-m2≤0(m>0),若非p是非q的必要不充分条件,则实数m的取值范围是_________.
9.已知a>0,f(x)=ax2+bx+c,对任意x∈R有f(x+2)=f(2-x),若f(1-2x2)10.已知a, b, c∈R, f(x)=ax2+bx+c, g(x)=ax+b, 当x≤1时,f(x)≤1,
(1)求证:c≤1;
(2)求证:当x≤1时,g(x)≤2;
(3)当a>0且x≤1时,g(x)最大值为2,求f(x).
11.设实数a,b,c,m满足条件: =0,且a≥0,m>0,求证:方程ax2+bx+c=0有一根x0满足0五、联赛一试水平训练题
1.不等式x3-2x2-4x+3<0的解集是_________.
2.如果实数x, y满足: ,那么x-y的最小值是_________.
3.已知二次函数f(x)=ax2+bx+c的图象经过点(1,1),(3,5),f(0)>0,当函数的最小值取最大值时,a+b2+c3=_________.
4. 已知f(x)=1-2x, x∈[0,1],方程f(f(f)(x)))= x有_________个实根。
5.若关于x的方程4x2-4x+m=0在[-1,1]上至少有一个实根,则m取值范围是_________.
6.若f(x)=x4+px3+qx2+x对一切x∈R都有f(x)≥x且f(1)=1,则p+q2=_________.
7. 对一切x∈R,f(x)=ax2+bx+c(a8.函数f(x)=ax2+bx+c的图象如图,且 =b-2ac. 那么b2-4ac_________4. (填>、=、<)
9.若a10.某人解二次方程时作如下练习:他每解完一个方程,如果方程有两个实根,他就给出下一个二次方程:它的常数项等于前一个方程较大的根,x的系数等于较小的根,二次项系数都是1。证明:这种练习不可能无限次继续下去,并求最多能延续的次数。
11.已知f(x)=ax2+bx+c在[0,1]上满足f(x)≤1,试求a+b+c的最大值。

六、联赛二试水平训练题
1.设f(x)=ax2+bx+c,a,b,c∈R, a>100,试问满足f(x)≤50的整数x最多有几个?
2.设函数f(x)=ax2+8x+3(a<0),对于给定的负数a,有一个最大的正数l(a),使得在整个区间[0,l(a)]上,不等式f(x)≤5都成立。求l(a)的最大值及相应a的值。
3.设x1,x2,…,xn∈[a, a+1],且设x= , y= , 求f=y-x2的最大值。
4.F(x)=ax2+bx+c,a,b,c∈R, 且F(0)≤1,F(1)≤1,F(-1)≤1,则对于x≤1,求F(x)的最大值。
5.已知f(x)=x2+ax+b,若存在实数m,使得f(m)≤ ,f(m+1)≤ ,求△=a2-4b的最大值和最小值。
6.设二次函数f(x)=ax2+bx+c (a,b,c∈R, a 0)满足下列条件:
1)当x∈R时,f(x-4)=f(2-x),且f(x)≥x;
2)当x∈(0, 2)时,f(x)≤ ;
3)f(x)在R上最小值为0。
求最大的m(m>1),使得存在t∈R,只要x∈[1, m]就有f(x+t)≤x.
7.求证:方程3ax2+2bx-(a+b)=0(b 0)在(0,1)内至少有一个实根。
8.设a,b,A,B∈R+, a
9.设a,b,c为实数,g(x)=ax2+bx+c, x≤1,求使下列条件同时满足的a, b, c的值:
(?) =381;
(?)g(x)max=444;

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