强基初中数学&学Python——第七十四课 函数与方程之十八:一元二次方程

  

  方程就是知道函数值反推满足条件的自变量值。一元二次方程就是知道一元二次函数的值,求满足条件的自变量的值。如果函数值是0,就成了一元二次方程的一般形式

ax²+bx+c=0 (a≠0)。

  例题1:判断下面一元二次方程有两个不同的实数解、只有一个实数解(两个相同的实数解)和无实数解。

(1)-x²+2x-1=0,

(2)x²+x+1=0,

(3)13x²+78x-50=0,

解:通过一元二次函数来判断

(1)

y=-x²+2x-1,

y=-(x²-2x+1),

y=-(x-1)²,

可见函数的值≤0,方程-x²+2x-1=0只有一个实数解。

(2)

y=x²+x+1,

y=x²+x+(1/4)-(1/4)+1,

y=(x+1/2)²+(3/4),

可见函数的值≥(3/4),方程x²+x+1=0无实数解。

(3)

y=13x²+78x-50,

y=13(x²+6x)-50,

y=13(x²+6x+9-9)-50,

y=13(x+3)²-13×9-50,

y=13(x+3)²-167,

可见函数的值≥-167,方程13x²+78x-50=0两个不同的实数解。

  我们知道方程

x²=c  (c≥0)

的解是c的算术平方根和它的相反数,只要把一般的方程通过上例的方法配方成

a(x+b)²-c=0

的形式,就可以解方程了。这就是解方程的配方法。配方法是解一元二次方程的最基本方法,一定要掌握。

  例题2:解下面方程

x²+6x+2|x+3|-6=0。

分析:方程中含有绝对值,首先把方程拆分为2个不含绝对值的方程,明确定义域。

解:拆分定义域,取消绝对值运算

(1)当x<-3,得

x²+6x-2(x+3)-6=0,

x²+4x-12=0,

x²+4x+4-16=0,

(x+2)²-16=0,

解得

x1=-6和x2=2,

由于x<-3,所以只要x1是解;

(2)当x≥-3,得

x²+6x+2(x+3)-6=0,

x²+8x=0,

x²+8x+16-16=0,

(x+4)²-16=0,

解得

x1=-8和x2=0,

由于x≥-3,所以只要x2是解;

综合两个步骤得原方程的解是

x1=-6和x2=0。

  根据函数

y=x²+6x+2|x+3|-6

很难想象出函数图象是什么样子的,它真的与x轴交于(-6,0)和(0,0)点吗?作图验证如下,作图代码附录1。

 

  把配方法应用到一般一元二次方程

ax²+bx+c=0 (a≠0)

a[x²+(b,a)x]+c=0

a[x²+(b/a)x+(b/2a)²-(b/2a)²]+c=0

[x+(b/2a)]²-(b/2a)²+(c/a)=0

[x+(b/2a)]²=(b/2a)²-(c/a)

[x+(b/2a)]²=(b²-4ac)/(2a)²

x=-(b/2a)±[sqrt(b²-4ac)/2a]

x=[-b±sqrt(b²-4ac)]/2a

就是一元二次方程的解公式。

  由于sqrt(b²-4ac)运算(算术平方根运行)需要底数不小于0,得到一元二次方程有实数解的充分必要条件

b²-4ac≥0,

当b²-4ac>0时有2个不同的实数解;当b²-4ac=0时有2个相同的实数解(即只有1个实数解)。

  我们知道,2个一元一次多项式相乘,可以得到一个一元二次多项式,反过来,如果能把一个一元二次多项式拆分为2个一元一次多项式相乘,应用到解一元二次方程中,不就可以解了。这就是解一元二次方程因式分解法。

  因式分解法不适合所有的一元二次方程(事实上,只有b²-4ac是1个平方数时,才能使用因式分解法。),除非能轻而易举地分解因式,否则不要使用。

  例题3:下面方程的解都是有理数,尝试用因式分解法解方程

6x²+47x+91=0。

解:

6=2×3,

91=7×13,

3×7=21,

2×13=26,

21+26=47,

所以,因式分解后方程是

(3x+13)(2x+7)=0

得方程的解是

x1=-13/3,x2=-7/2。

  由上例可得到因式分解的要诀:二次系数和常数都分解为2个因数,交叉相乘的积的和等于一次项系数。

  解一元二次方程有多种方法,殊路同归,不管用哪种方法,结果都是一样的。因此,如果一元二次方程

ax²+bx+c=0 (a≠0)  ①

的两个解是x1、x2,则由因式分解法一定可以把方程因式分解为

(x-x1)(x-x2)=0,

x²-x*x2-x1*x+x1*x2=0,

x²-(x1+x2)*x+x1*x2=0。②

把①等式两边同时除以a得

x²+(b/a)x+(c/a)=0 (a≠0)  。  ③

对比②和③得到一元二次方程ax²+bx+c=0(a≠0)的2个根与系数的关系

x1+x2=-b/a,

x1·x2=c/a。

  例题4:方程

x²-bx-c=0

有2个解是x1=3和x2=7,求方程中的系数b和c。

解:由根与系数的关系得

-(-b)=3+7,

b=10;

-c=3×7,

c=-21。

  使用根与系数关系公式时,一定要注意正负号。

 

  练习题1:用b²-4ac的正负及0与方程的解的关系,验证例题1。

  练习题2:解下面方程

x²-4x+6|x-2|+13=0。

  练习题3:下面方程的解都是有理数,尝试用因式分解法解方程

14x²-13x-51=0。

  练习题4:方程

ax²+bx-40=0

有2个解是x1=-5和x2=4,求方程中的系数a和b。

 

附录1:

import sys
sys.path.append("/5xstar/pyfiles")
from mymath.rcs import *
from math import *
import turtle as t
t.setup(500,500)
t.screensize(400,400)  
t.up()
build(t, yUnt=(1,10))

#标题
t.setpos(0, 210)
t.write("y=x²+6x+2|x+3|-6图象",align="center",font=(markFont[0],14,markFont[2]))

#y=x²+6x+2|x+3|-6
t.pencolor("blue")
t.pensize(2)
def f(x):
    return x**2+6*x+2*abs(x+3)-6
trace(t,-10,10,f)
t.ht()