Funkcją kwadratową (trójmianem kwadratowym) nazywamy funkcję \(f: \mathbb{R} \longrightarrow \mathbb{R}\) określoną wzorem \[f(x)=ax^2+bx+c,\] gdzie \(a,b,c\in \mathbb{R}\) i \(a\neq 0\).
Miejsca zerowe funkcji kwadratowej \(\boldsymbol{y=ax^2+bx+c}\)
- \(\Delta>0\quad \Longrightarrow \quad x_1={-b-\sqrt{\Delta}\over 2a}, \quad x_2={-b+\sqrt{\Delta}\over 2a}\)
- \(\Delta=0 \quad \Longrightarrow\quad x_0={-b\over 2a}\)
- \(\Delta<0\quad \Longrightarrow \quad\) brak miejsc zerowych
Położenie paraboli \(\boldsymbol{y=ax^2+bx+c}\) wzgledem osi \(\boldsymbol{Ox}\)
Własność wartości bezwzględnej
Dla dowolnej liczby rzeczywistej \(x\) oraz \(a>0\) mamy: \[\vert x \vert < a \quad \Longleftrightarrow \quad -a <x<a\]
Dla dowolnej liczby rzeczywistej \(x\) oraz \(a>0\) mamy: \[\vert x \vert < a \quad \Longleftrightarrow \quad -a <x<a\]
Równania i nierówności kwadratowe
Z definicji funkcji kwadratowej wynika, że dziedziną tej funkcji jest zbiór liczb rzeczywistych. Zatem dziedziną równania kwadratowego
jest zawsze zbiór \(D=\mathbb{R},\) o ile w treści zadania nie podano inaczej. Rozwiązanie równania kwadratowego \(ax^2+bx+c=0\) polega na wyznaczeniu miejsc zerowych funkcji kwadratowej \(y=ax^2+bx+c\). Wiemy, że funkcja kwadratowa może mieć jedno lub dwa miejsca zerowe albo nie mieć ich w ogóle. Zatem równanie kwadratowe może mieć jedno lub dwa rozwiązania albo być sprzeczne. W poniższym zadaniu pokazane są różne sposoby rozwiązywania równań kwadratowych.
Zadanie
Rozwiąż równanie kwadratowe:
-
\(x^2+5x=0\)Ponieważ lewa strona równania jest niepełnym trójmianem kwadratowym, więc równanie to rozwiązujemy bez liczenia wyróżnika \(\Delta\), przekształcając je w następujący sposób: \[ x(x+5)=0 \] Ponieważ iloczyn jest równy zero, gdy przynajmniej jeden z czynników jest równy zero, dlatego otrzymujemy \[ \quad x=0 \quad \vee \quad x+5=0 \] \[ x=0 \quad \vee \quad x=-5 \]
-
\(8x-x^2=0\)Po wyciągnięciu \(x\) przed nawias otrzymujemy równanie równoważne \[ x(8-x)=0 \] Zatem \[ x=0 \quad \vee \quad x=8 \]
-
\(4x^2-25=0\)Ponieważ trójmian kwadratowy po lewej stronie równania jest niepełny, równanie to rozwiązujemy, korzystając ze wzoru skróconego mnożenia na różnicę kwadratów \[ 4x^2-25=0 \] \[ (2x)^2-5^2=0 \] \[ (2x-5)(2x+5)=0 \] \[ x={5\over 2} \quad \vee \quad x=-{5\over 2} \]
-
\(2x^2+3=0\)Po przekształceniu równania otrzymujemy \[ x^2=-{3\over 2} \] Ponieważ lewa strona równania jest nieujemna, a prawa ujemna, więc równanie jest sprzeczne.
-
\(x^2-x-12=0\)Ponieważ lewa strona równania jest pełnym trójmianem kwadratowym, posłużymy się wzorami na miejsca zerowe funkcji kwadratowej. Obliczamy \(\Delta=49\). Zatem rozwiązaniami równania są: \[ x=-3 \quad \vee \quad x=4 \]
-
\(2x^2-12x+16=0\)Aby ułatwić rachunki, dzielimy obie strony równania przez \(2\) i otrzymujemy równanie równoważne \[ x^2-6x+8=0 \] Ponieważ \(\Delta=4\), więc rozwiązania równania to \[ x=2 \quad \vee \quad x=4 \]
-
\(-5x+1=-3x^2\)Uporządkujmy najpierw równanie i przenieśmy wszystkie wyrażenia na lewą stronę. Otrzymujemy wtedy równanie równoważne \[ 3x^2-5x+1=0 \] Ponieważ \(\Delta=13\), więc rozwiązania równania to \[ x={5-\sqrt{13}\over 6} \quad \vee \quad x={5+\sqrt{13}\over 6} \]
-
\(x^2-6x+9=0\)Ponieważ \(\Delta=0\), więc rozwiązaniem tego równania jest \(x=3\).
-
\(5x^2-x+1=0\)Ponieważ \(\Delta=-19<0\), więc równanie nie posiada rozwiązań.
-
\(\vert 2x^2-2x+1\vert=x\)Aby równanie było niesprzeczne, jego prawa strona musi być nieujemna, czyli \(x\geq 0\). Opuszczamy wartość bezwzględną \[ 2x^2-2x+1=-x \quad \vee \quad 2x^2-2x+1=x \] \[ \ \quad 2x^2-x+1=0 \quad \vee \quad 2x^2-3x+1=0 \] Wyróżnik pierwszego trójmianu kwadratowego jest ujemny (równanie sprzeczne), więc do rozwiązania pozostaje tylko drugie równanie. Ponieważ \(\Delta= 1\), zatem rozwiązaniami są \[ x={1\over 2} \quad \vee \quad x=1, \] gdyż spełniają warunek \(x\geq 0\).
Z definicji funkcji kwadratowej wynika, że dziedziną tej funkcji jest zbiór liczb rzeczywistych. Zatem dziedziną nierówności
kwadratowej jest zawsze zbiór \(D=\mathbb{R},\) o ile w treści zadania nie podano inaczej. Do rozwiązania nierówności kwadratowej postaci: \[ax^2+bx+c\lt 0,\quad ax^2+bx+c\gt 0,\quad ax^2+bx+c\le 0,\quad ax^2+bx+c\ge 0\] niezbędna jest znajomość
położenia paraboli \(y=ax^2+bx+c\) względem osi \(Ox\). W poniższym zadaniu pokazane są różne sposoby rozwiązywania nierówności kwadratowych. Wśród nich znajdują
się także nierówności sprzeczne i tożsamościowe.
Zadanie
Rozwiąż nierówność kwadratową:
-
\(x^2-2x>0\)Dana nierówność jest równoważna z nierównością \[ x(x-2)>0 \] Zatem miejsca zerowe trójmianu kwadratowego to: \[ x_1=0, \qquad x_2=2 \] Rysujemy parabolę będącą wykresem funkcji \(y=x^2-2x\) (pamiętając, że jej ramiona skierowane są w górę, ponieważ \(a=1>0\)).
-
\(6x-2x^2\geq0\)Dana nierówność jest równoważna nierówności \[ 2x(3-x)\geq0 \] Zatem miejsca zerowe trójmianu kwadratowego to: \[ x_1=0, \qquad x_2=3 \] Rysujemy parabolę będącą wykresem funkcji \(y=6x-2x^2\) (pamiętając, że jej ramiona skierowane są w dół, ponieważ \(a=-2<0\)).
-
\(x^2+3x+2>0\)Ponieważ \(\Delta=1\), więc miejscami zerowymi funkcji kwadratowej są: \[ x_1={-3-1\over 2}, \qquad x_2={-3+1\over 2} \] \[ x_1=-2, \qquad x_2=-1 \] Rysujemy parabolę będącą wykresem funkcji \(y=x^2+3x+2\).
-
\(-x^2+x+2\geq 0\)Ponieważ \(\Delta=9\), więc miejsca zerowe funkcji kwadratowej to: \[ x_1=2, \qquad x_2=-1 \] Rysujemy parabolę będącą wykresem funkcji \(y=-x^2+x+2\).
-
\(4x^2+4x-3<0\)Ponieważ \(\Delta=64\), więc miejsca zerowe funkcji kwadratowej to: \[ x_1={1\over 2}, \qquad x_2=-{3\over 2} \] Rysujemy parabolę będącej wykresem funkcji \(y=4x^2+4x-3\).
-
\(-x^2+x+1\leq 0\)Ponieważ \(\Delta=5\), więc miejsca zerowe funkcji kwadratowej to: \[ x_1={-1-\sqrt{5}\over -2}, \qquad x_2={-1+\sqrt{5}\over -2} \] \[ x_1={1+\sqrt{5}\over 2}, \qquad x_2={1-\sqrt{5}\over 2} \] Rysujemy parabolę o równaniu \(y=-x^2+x+1\).
-
\(x^2+4x+4>0\)Ponieważ \(\Delta=0\), dlatego miejscem zerowym trójmianu kwadratowego jest \(x_0=-2\). Rysujemy parabolę o równaniu \(y=(x+2)^2\).
-
\(x^2-2x+1\geq 0\)Ponieważ \(\Delta=0\), dlatego miejscem zerowym funkcji kwadratowej jest \(x_0=1\). Rysujemy parabolę o równaniu \(y=(x-1)^2\).
-
\(-x^2-8x-16 > 0\)Ponieważ \(\Delta=0\), dlatego miejscem zerowym trójmianu kwadratowego jest \(x_0=-4\). Rysujemy parabolę o równaniu \(y=-(x+4)^2\).
-
\(-x^2+6x-9 \geq 0\)Ponieważ \(\Delta=0\), dlatego miejscem zerowym funkcji kwadratowej jest \(x_0=3\). Rysujemy parabolę o równaniu \(y=-(x-3)^2\).
-
\(-x^2-2x-5<0\)Ponieważ \(\Delta=-16\), to funkcja kwadratowa nie ma miejsc zerowych. Rysujemy parabolę o równaniu \(y=-x^2-2x-5\).
-
\(x^2+x+4\leq 0\)Ponieważ \(\Delta=-15\), to funkcja kwadratowa nie ma miejsc zerowych. Rysujemy parabolę o równaniu \(y=x^2+x+4\).
-
\(\displaystyle \vert x^2-5x+1\vert < x^2-3x+5\)Aby równanie nie było sprzeczne, prawa strona nierówności musi być nieujemna, dlatego trzeba założyć, że \[x^2-3x+5\geq 0\] Wyróżnik trójmianu kwadratowego \(x^2-3x+5\) jest ujemny, czyli parabola będąca wykresem funkcji \(y=x^2-3x+5\) leży nad osią \(Ox\), więc nierówność \(x^2-3x+5\geq 0\) jest zawsze spełniona. Opuszczamy wartość bezwzględną w nierówności \(\vert x^2-5x+1\vert < x^2-3x+5\) i otrzymujemy \[x^2-5x+1 > -x^2+3x-5 \quad \wedge \quad x^2-5x+1 < x^2-3x+5\] Rozwiążemy najpierw pierwszą nierówność \[x^2-5x+1 > -x^2+3x-5\] \[\quad\ 2x^2-8x+6>0 \ /:2\] \[x^2-4x+3>0\] Wyróżnik \(\Delta=4\), dlatego miejscami zerowymi trójmianu kwadratowego są \(x_1=1\), \(x_2=3\). Rysujemy parabolę o równaniu \(y=x^2-4x+3\).