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顶点公式:完整的定义,例子和解决方案

顶点公式用于求解抛物线顶点$(h,k)$。顶点是抛物线上描述函数最大值或最小值的点。顶点公式给出了一个给定二次方程的精确顶点,而不绘制抛物线的图形。

类似地,我们可以推导出抛物线的方程如果我们知道图的顶点和$a$。在本指南中,我们将讨论如何使用顶点公式找到抛物线的顶点,并通过示例详细求解抛物线方程的顶点形式。

顶点公式是什么?

顶点公式通过给出$h$和$k$的指定公式,帮助求解抛物线顶点$(h,k)$的坐标。抛物线的标准方程形式由
$ $ y = ax ^ 2 + bx + c。$ $

利用二次方程的系数值,顶点公式给出$h$和$k$的值为
$ $ h = \ dfrac {b} {2} $ $

而且
$ $ k = - \ dfrac {b ^ 2-4ac} {4} $ $

例子

请看下面这个用顶点公式求解抛物线顶点的例子。

示例1

  • 求由方程$y=2x^2+3x-5$给出的抛物线的顶点。

取系数$a=2$, $b=3$, $c=-5$。我们将这些值代入顶点公式来找到顶点。
h = - $ $ \ dfrac {3} {2 (2)} = - \ dfrac {3} {4} $ $

而且
$ $ k = - \ dfrac {(3) ^ 2 - 4 (2) (5)} {4 (2)} = - \ dfrac {9 + 40} {8} = - \ dfrac {49} {8} $ $

因此,抛物线的顶点位于点$\left(-\dfrac{3}{4},-\dfrac{49}{8}\right)$。

  • 求抛物线的顶点由方程$y=-5x^2-2$描述。

请注意,由于方程没有中间项,$b=0$,我们有$a=-5$和$c=-2$。将这些值代入顶点公式,得到:
h = - $ $ \ dfrac {0} {2 (5)} = 0 $ $

而且
$ $ k = - \ dfrac {(0) ^ 2 - 4 (5) (2)} {4 (5)} = - \ dfrac {-40} {-20} $ $ = 2

因此,抛物线的顶点是点$(0,-2)$。

我们画出这两条抛物线来验证我们用顶点公式得到的顶点。
v图
图1。y=2x^2+3x-5$的图像
v图
图2。y=-5x^2-2$的图像
正如我们在图1和图2中看到的,我们使用顶点公式计算的每个方程的顶点确实是每个抛物线的顶点。

抛物线的顶点形式

抛物线方程的标准形式为:
$ y = ax ^ 2 + bx + c。美元

当$a$为正数时,抛物线向上开口,使顶点成为函数的最小值。当$a$为负时,抛物线向下开口,顶点是图中的最大值点。顶点在绘制抛物线曲线时很重要,因为它表示抛物线的转折点。

在用顶点公式求出顶点$(h,k)$后,我们可以将标准方程重写为一种形式,使我们可以很容易地识别抛物线的顶点。抛物线的顶点形式为:
$ y = (x h) ^ 2 + k。美元

让我们在下面的例子中将抛物线的标准形式转换为顶点形式。

示例2

  • 求出抛物线的顶点y=3x^2-4x+9,写出抛物线的顶点形式。

给定抛物线的系数为$a=3$, $b=-4$, $c=9$。利用顶点公式,我们求解顶点的坐标。
h = - $ $ \ dfrac {4} {2 (3)} = - \ dfrac {4} {6} = \ dfrac {2} {3} $ $

而且
$ $ k = - \ dfrac {(4) ^ 2 - 4 (3) (9)} {4 (3)} = - \ dfrac {16 - 108} {12} = \ dfrac {92} {12} = \ dfrac {23} {3} $ $

抛物线的顶点位于点$\left(\dfrac{2}{3},\dfrac{23}{3}\right)$。利用我们得到的顶点坐标,我们将抛物线的顶点形式写成:
左(x - $ $ y = 3 \ \ dfrac{2}{3} \右)^ 2 + \ dfrac {23} {3} $ $

让我们试着验证顶点形式是否正确。如果我们简化顶点形式,我们仍然应该得到抛物线方程的标准形式。
开始\{对齐*}
左(x - y = 3 \ \ dfrac{2}{3} \右)^ 2 + \ dfrac {23} {3} \ \
左(x ^ 2 - & = 3 \ \ dfrac {4} {3} x + \ dfrac{4}{9} \右)+ \ dfrac {23} {3} \ \
& = \离开(3 x ^ 2 + \ dfrac{4}{3} \右)+ \ dfrac {23} {3} \ \
& = 3 x ^ 2 + \ dfrac {27} {3} \ \
& = 3 x ^ 2 + 9
结束\{对齐*}

因此,抛物线有一个顶点在$\left(\dfrac{2}{3},\dfrac{23}{3}\right)$和顶点形式$y=3\left(x-\dfrac{2}{3}\right)^2+\dfrac{23}{3}$。

  • 用顶点公式求出抛物线顶点的坐标$y=5x^2+10x-2$。然后用顶点形式表示抛物线方程。

抛物线的系数为$a=5$, $b=10$, $c=-2$。抛物线的顶点有坐标
h = - $ $ \ dfrac {10} {2 (5)} = - \ dfrac {10} {10} = 1 $ $

而且
$ $ k = - \ dfrac {(10) ^ 2 - 4 (5) (2)} {4 (5)} = - \ dfrac {100 + 40} {20} = - \ dfrac {140} {20} = 7, $ $

抛物线的顶点是点$(-1,-7)$。抛物线的顶点形式由
开始\{对齐*}
y = 5 (x -(1)) ^ 2 - 7日\ \
y = 5 (x + 1) ^ 2 - 7。
结束\{对齐*}

顶点公式是如何导出的?

顶点公式是由抛物线方程的标准形式转化为顶点形式而得到的。我们从抛物线方程开始
$ $ y = ax ^ 2 + bx + c。$ $

两边同时减去c,
$ $ y-c = ax ^ 2 + bx。$ $

然后我们提出第一项的系数,
$ $ y-c = \离开(x ^ 2 + \ dfrac {b} {x} \右),$ $

取表达式$x^2+\dfrac{b}{a}x$,使其成为完全平方三项式。回想一下完全平方三项式的形式和因数,
$ $ x ^ 2 + 2 mx + m ^ 2 = (x + m) ^ 2。$ $

因此,中间项的系数为$ 200万美元,最后一项为$m^2美元。将此应用于$x^2+\dfrac{b}{a}x$,我们有
开始\{对齐*}
2猴= \ dfrac {b}{一}\ \
猴\ Rightarrow = \ dfrac {b} {2} \ \
\ Rightarrow m ^ 2 & = \离开(\ dfrac {b}{2} \右)^ 2 = \ dfrac {b ^ 2} {4 a ^ 2}。
结束\{对齐*}

因此,我们将$\dfrac{b^2}{4a^2}$加到表达式$x^2+\dfrac{b}{a}x$,使其成为完全平方。然后,我们有
$ $ x ^ 2 + \ dfrac {b}{一}x + \ dfrac {b ^ 2} {4 a ^ 2} = \离开(x + \ dfrac {b}{2} \右)^ 2。$ $

请注意,
$ $ \离开(x ^ 2 + \ dfrac {b}{一}x + \ dfrac {b ^ 2} {4 a ^ 2} \右)= ax ^ 2 + bx + \ dfrac {b ^ 2} {4} $ $

这意味着为了保持相等,当我们在表达式$x^2+\dfrac{b}{a}x$中添加$\dfrac{b^2}{4a}$时,我们还必须添加$-\dfrac{b^2}{4a}$。
开始\{对齐*}
y-c& = \离开(x ^ 2 + \ dfrac {b}{一}x + \ dfrac {b ^ 2} {4 a ^ 2} \右)- \ dfrac {b ^ 2} {4} \ \
y-c& = \离开(x + \ dfrac {b}{2} \右)^ 2 - \ dfrac {b ^ 2}{4}。
结束\{对齐*}

我们现在把它写成y的方程,
开始\{对齐*}
y = \离开(x + \ dfrac {b}{2} \右)^ 2 - \ dfrac {b ^ 2} {4} + c \ \
y = \左(x - \左(- \ dfrac {b}{2} \) \右)^ 2 - \ dfrac {b ^ 2-4ac} {4} \ \
\ Rightarrow y = \离开(x - \左(- \ dfrac {b}{2} \) \右)^ 2 + \离开(- \ dfrac {b ^ 2-4ac}{4} \右)。
结束\{对齐*}

将它与顶点形式$y=a(x^2-h)^2+k$进行比较,我们得到了$h$和$k$的公式。
h = - $ $ \ dfrac {b} {2} $ $

而且
$ $ k = - \ dfrac {b ^ 2-4ac} {4} $ $

还要注意,k的分子是二次公式的判别式。

示例3

使用例2中的抛物线$y=5x^2+10x-2$,并将其转换为顶点形式,以确定顶点$(h,k)$,而不使用顶点公式。

写出标准方程,两边加$2$:
开始\{对齐*}
y = 5 x ^ 2 + 10 x - 2 \ \
y + 2 & = 5 x ^ 2 + 10 x \ \
y + 2 & = 5 (x ^ 2 + 2)。
结束\{对齐*}

我们取表达式$x^2+2x$,并完成它,使它成为一个完全平方三项式。

设$p^2$为最后一项,使$x^2+2x+p^2$为完全平方数。因此,中间项的系数为$2p$。也就是说,
开始\{对齐*}
2 p = 2 \ \
\ Rightarrow p = 1。
结束\{对齐*}

那么,我们有
$ $ x ^ 2 + 2 + 1 = (x + 1) ^ 2。$ $

由于我们将在表达式中添加$1$,那么我们需要添加$-5$。
开始\{对齐*}
y + 2 & = 5 (x ^ 2 + 10 x + 1) 5 \ \
y + 2 & = 5 (x + 1) ^ 2 - 5 \ \
y = 5 (x + 1) ^ 2-5-2 \ \
y = 5 (x + 1) ^ 2 - 7日\ \
\ Rightarrow y = 5 (x - (1)) ^ 2 + (7)
结束\{对齐*}

抛物线方程现在转换为顶点形式,所以我们现在可以确定抛物线的顶点是点$(-1,-7)$。

我们验证了我们得到的这个抛物线方程的顶点和顶点形式是相同的,而不使用顶点公式。

如何找到一个函数的顶点?

求函数顶点有两种方法——(1)利用顶点公式,(2)将标准方程转化为顶点形式。我们用这些方法得到抛物线顶点$(h,k)$的相同坐标。

二次函数$f(x)=ax^2+bx+c$有一个顶点为$(h,k)$的抛物线图,其中坐标的值由:

  • 使用顶点公式
    开始\{对齐*}
    h = - \ dfrac {b} {2} \ \
    k = - \ dfrac {b ^ 2-4ac}{4}。
    结束\{对齐*}
  • 把方程转换成顶点形式
    $ $ f (x) = (x h) ^ 2 + k。$ $

研究下面的示例,使用每种方法查找函数的顶点。

示例4

  • 求二次函数$f(x)=-6x^2+24-27$所描述的抛物线的顶点。
(1)利用顶点公式求解顶点$(h,k)$的坐标值。系数是$a=-6$, $b=24$, $c=-27$。我们把这些值代入顶点公式。h = - $ $ \ dfrac {24} {2 (6)} = - \ dfrac {24} {-12} = - (2) = 2 $ $ $ $ k = - \ dfrac {(24) ^ 2 - 4 (6) (-27)} {4 (6)} = - \ dfrac {576 - 648} {-24} = - \ dfrac{-72}{-24} = 3。因此,抛物线的顶点是点$(2,-3)。(2)我们将抛物线方程的标准形式写成$$y=-6x^2+24x-27。简化右边,我们有\begin{align*} y+27&= -6x^2+24x\\ y+27&= -6 (x^2-4x) \end{align*}我们完成表达式$x^2-4x$,使它成为一个完全正方形。我们需要除中间项的系数,得到最后一项的平方。$$x^2-2\left(\dfrac{4}{2}\right)x+\left(\dfrac{4}{2}\right)^2=x^2-4x+4=(x-2)^2$$所以如果我们在表达式中添加$4$,那么我们需要在等式右侧添加$-(-6\times4)=24$。\{对齐*}开始y + 27 & = 6 (x ^ 2 + 4) + 24 \ \ y + 27 & = 6 (x - 2) ^ 2 + 24 \ \ y = 6 (x - 2) ^ 2 + 24 - 27日\ \ \ Rightarrow y = 6 (x - 2) ^ 2 +(3) \{对齐*}因此结束,顶点在点(2、3)美元。

一些观察

  • 你可以使用任何你认为更容易使用的方法。这里有一些建议。
    • 如果二次函数的系数相对较小,即$b^2$不是太大,则使用顶点公式。有时,系数较小的抛物线给出顶点坐标的分数值(如例1)。通常,这些类型的二次函数很难转换为顶点形式,因为它们涉及分数。
    • 对于系数较大的二次方程,转换成顶点形式比较容易。你只需要熟悉如何完成这个表达式,就可以把它们变成一个完全平方的三项式。
  • 如果抛物线没有中间项,也就是说,它的形式是$y=ax^2+c$,那么顶点位于y轴上的一点。

如果抛物线没有中项,则$b=0$。因此,
h = - $ $ \ dfrac {b} {2} = - \ dfrac{0}{2} = 0。$ $

顶点在(0,k)也就是抛物线的y轴截距。

结论

顶点公式是确定抛物线顶点的有用工具。虽然它给了我们顶点坐标的确切值,但在处理具有大系数的二次函数时,它也被认为是少数。我们还讨论了将抛物线方程的标准形式转换为顶点形式,作为顶点公式识别顶点的替代方法。

  • 顶点公式给出顶点$(h,k)$的坐标值,其中$h=-\dfrac{b}{2a}$和$k=-\dfrac{b^2-4ac}{4a}$。
  • 抛物线的顶点形式是方程$y=a(x-h)^2+k$,其中$(h,k)$是顶点。
  • 顶点公式是将标准方程转化为顶点形式得到的。
  • 求函数顶点有两种方法:(1)利用顶点公式;(2)将抛物线方程表示为顶点形式。
  • 如果抛物线没有中间项,则抛物线的顶点位于y轴上。

确定抛物线顶点的位置对于描述抛物线和给出抛物线行为的一些指示是很重要的,一旦你知道如何确定顶点,你就可以求解抛物线图中的其他重要点。

图像/数学图纸是用GeoGebra创建的。

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