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學習・解釋・訂正

限制區間上的二次函數最值

先理解概念,獨立嘗試,再解釋想法如何改變。

高一必修 第一册(A版).pdf · 3.2 · PDF 83 / 印刷頁 76

先重溫:頂點式與配方法二次式符號與解集

專題 01

限制區間上的二次函數最值

比較可行頂點及端點,包括開區間及移動區間。

學完之後,你能解釋

  • 只比較有效關鍵候選值求最值。
  • 區分取得的最值、未取得界限及極小化最大值設計。

先限制再求最值

指定區間可能禁止全域頂點。

閉區間上比較端點,只在頂點位於區間內時加入它。

f=a(x−h)2+k,x∈[L,U]f=a(x-h)^2+k,\quad x\in[L,U]
  1. a>0 時最接近 h 的點使平方最小。

    xmin⁡=min⁡(U,max⁡(L,h))x_{\min}=\min(U,\max(L,h))
  2. 最遠端點使平方最大;a<0 時角色反轉。

    dmax⁡=max⁡(∣L−h∣,∣U−h∣)d_{\max}=\max(|L-h|,|U-h|)

成立條件

  • L≤U 且包含端點;a=0 為常數。

反例:(x−3)² 在 [0,1] 上,x=3 不是候選值。

  • 使用標示限制區間的圖像及候選數值表。

取得與競爭最值

優化一族函數,與在一個圖像選輸入不同。

開區間上界限不一定取得;極小化最大值須平衡最壞可行情況。

max⁡{(L−h)2,(U−h)2}\max\{(L-h)^2,(U-h)^2\}
  1. x² 在 (0,1) 上只逼近界限,未取得。

    0<x2<10<x^2<1
  2. 中心可移時,平衡端點距離以縮小較大者。

    h=(L+U)/2h=(L+U)/2

成立條件

  • 檢查所求為最大值、上確界或最大值的最小值。

反例:稱 0 為 x² 在 (0,1) 的最小值是錯,因 x=0 被排除。

  • 比較開端點圖及最壞端點距離表。

預測 → 操作 → 解釋 → 遷移

先留下預測,再探索關係。

課節思考:把區間移過頂點:最小值輸入何時轉分支?

模型實驗:先預測調整下列參數會改變哪個結果,再以顯示的數值檢查,並與課節問題比較。

閉區間 [-2,3]。最小值 0,最大值 9。比較端點及可行頂點。-665-5

閉區間 [-2,3]。最小值 0,最大值 9。比較端點及可行頂點。

圖像的數值資料,可列印
允許候選值輸出
-29
10
34

解釋:只有頂點在內才與端點比較,亦檢查負係數。

遷移:選左端點取得最大值而頂點取得最小值的區間。

試一試,把思路寫下來。

每次只看一個提示。訂正時記錄想法如何改變,不只抄下答案。

例題 1–3:先讀完整示範;由已完成的首步接續推理;再獨立選方法,完成後才展開解答。其餘練習可於課後繼續。

01 / 基礎#示範例題

求區間上的最小值。

f=x2−4x+5,x∈[0,3]f=x^2-4x+5,\quad x\in[0,3]
  • 除另訂較小定義域外,輸入均為實數。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
配方並定位中心。
提示 2
x=2 在 [0,3] 內。
完整解答
  1. 用頂點式。

    f=(x−2)2+1f=(x-2)^2+1
  2. 允許頂點取得下界。

    f(2)=1f(2)=1

x=2 時為 1。

檢查與易錯點:區間包含全域最小值輸入。

先思考,待同學準備好再展開提示。

02 / 鞏固#示範例題

求同一區間上的最大值。

f=(x−2)2+1,x∈[0,3]f=(x-2)^2+1,\quad x\in[0,3]

已提供首步,請接續推理:計算兩端點。

f(0)=5,f(3)=2f(0)=5,\quad f(3)=2
  • 除另訂較小定義域外,輸入均為實數。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
a 正時用較遠端點。
提示 2
到 2 的距離為 2 及 1。
完整解答
  1. 計算兩端點。

    f(0)=5,f(3)=2f(0)=5,\quad f(3)=2
  2. 內部距離最多為 2。

    f≤5f\le5

x=0 時為 5。

檢查與易錯點:右端點不自動給出最大輸出。

先思考,待同學準備好再展開提示。

03 / 遷移#示範例題

求最小值作為 t 的函數。

f=x2,x∈[t,t+1]f=x^2,\quad x\in[t,t+1]
  • 除另訂較小定義域外,輸入均為實數。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
判斷零與移動區間的位置。
提示 2
分開 t<−1、−1≤t≤0、t>0。
完整解答
  1. 各情況使用最接近零的點。

    x∗=t+1, 0, tx_* =t+1,\ 0,\ t
  2. 把該點平方並保留分類邊界。

    m(t)={(t+1)2t<−10−1≤t≤0t2t>0m(t)=\begin{cases}(t+1)^2&t<-1\\0&-1\le t\le0\\t^2&t>0\end{cases}

分段為所列三區域的 (t+1)²、0、t²。

檢查與易錯點:頂點進入或離開允許區間時公式改變。

先思考,待同學準備好再展開提示。

04 / 基礎#獨立練習

求最小值。

f=(x−3)2+2,x∈[1,2]f=(x-3)^2+2,\quad x\in[1,2]
  • 除另訂較小定義域外,輸入均為實數。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
頂點在右方區間外。
提示 2
最近輸入為 2。
完整解答
  1. 比較允許距離。

    ∣2−3∣=1<∣1−3∣=2|2-3|=1<|1-3|=2
  2. 計算最近端點。

    f(2)=3f(2)=3

3。

檢查與易錯點:全域值 2 在此區間不能取得。

先思考,待同學準備好再展開提示。

05 / 基礎#獨立練習

求最小值。

f=(x−3)2+2,x∈[4,6]f=(x-3)^2+2,\quad x\in[4,6]
  • 除另訂較小定義域外,輸入均為實數。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
整段在頂點右方。
提示 2
選最近端點 4。
完整解答
  1. 此區間上平方隨距離增加。

    1≤x−3≤31\le x-3\le3
  2. 計算較小距離。

    f(4)=3f(4)=3

3。

檢查與易錯點:軸的另一側可產生相同輸出。

先思考,待同學準備好再展開提示。

06 / 基礎#獨立練習

求最大值。

f=−(x−2)2+5,x∈[0,3]f=-(x-2)^2+5,\quad x\in[0,3]
  • 除另訂較小定義域外,輸入均為實數。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
負平方給出上界。
提示 2
允許頂點 x=2。
完整解答
  1. 限制變動項。

    −(x−2)2≤0-(x-2)^2\le0
  2. 檢驗等號輸入。

    f(2)=5f(2)=5

5。

檢查與易錯點:開口向下反轉頂點的最小最大角色。

先思考,待同學準備好再展開提示。

07 / 基礎#獨立練習

求值域,包含端點狀態。

f=x2,x∈[−2,1]f=x^2,\quad x\in[-2,1]
  • 除另訂較小定義域外,輸入均為實數。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
區間包含零。
提示 2
最遠端點為 −2。
完整解答
  1. 找已取得最值。

    f(0)=0,f(−2)=4f(0)=0,\quad f(-2)=4
  2. 連續性給出其中所有值。

    f([−2,1])=[0,4]f([-2,1])=[0,4]

[0,4]。

檢查與易錯點:只平方兩個端點會漏最小值零。

推理清單・自評/教師評核
  • 找已取得最值。
  • 連續性給出其中所有值。

先思考,待同學準備好再展開提示。

08 / 鞏固#獨立練習

有最小或最大值嗎?寫出逼近的下界及上界。

f=x2,0<x<1f=x^2,\quad0<x<1
  • 定義域為開區間 (0,1)。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
問是否允許等號輸入。
提示 2
兩候選端點均排除。
完整解答
  1. 輸出嚴格位於兩界限之間。

    0<x2<10<x^2<1
  2. 逼近各排除端點。

    x→0+:f→0;x→1−:f→1x\to0^+:f\to0;\quad x\to1^-:f\to1

沒有最小或最大值;下確界 0,上確界 1。

檢查與易錯點:逼近的值不一定取得。

推理清單・自評/教師評核
  • 輸出嚴格位於兩界限之間。
  • 逼近各排除端點。

先思考,待同學準備好再展開提示。

09 / 鞏固#獨立練習

哪些 a 使區間包含頂點?

f=(x−3)2+1,x∈[a,a+2]f=(x-3)^2+1,\quad x\in[a,a+2]
  • 除另訂較小定義域外,輸入均為實數。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
頂點輸入為 3。
提示 2
寫兩端點比較。
完整解答
  1. 包含即兩同時不等式。

    a≤3≤a+2a\le3\le a+2
  2. 解不等式對。

    1≤a≤31\le a\le3

a∈[1,3]。

檢查與易錯點:區間封閉,所以任一端點可等於頂點。

推理清單・自評/教師評核
  • 包含即兩同時不等式。
  • 解不等式對。

先思考,待同學準備好再展開提示。

10 / 鞏固#獨立練習

端點輸出相等,求 h。

f=(x−h)2,f(1)=f(5)f=(x-h)^2,\quad f(1)=f(5)
  • 除另訂較小定義域外,輸入均為實數。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
等距表示中點為軸。
提示 2
亦可令兩平方相等。
完整解答
  1. 兩平方相減。

    (1−h)2−(5−h)2=0(1-h)^2-(5-h)^2=0
  2. 使用非零端點距離。

    8h−24=0⇒h=38h-24=0\Rightarrow h=3

3。

檢查與易錯點:相異等高輸入的中點在軸上。

先思考,待同學準備好再展開提示。

11 / 鞏固#獨立練習

不用導數,說明函數在整段遞增或遞減。

f=(x−2)2,x∈[−1,1]f=(x-2)^2,\quad x\in[-1,1]
  • 除另訂較小定義域外,輸入均為實數。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
追蹤 x 增加時到軸的距離。
提示 2
正距離 2−x 縮小。
完整解答
  1. 以此區間的正距離改寫。

    f=(2−x)2,1≤2−x≤3f=(2-x)^2,\quad1\le2-x\le3
  2. x 增加使距離及平方嚴格減少。

    x1<x2⇒f(x1)>f(x2)x_1<x_2\Rightarrow f(x_1)>f(x_2)

嚴格遞減。

檢查與易錯點:關鍵是位於軸哪側,不只是首項係數正。

推理清單・自評/教師評核
  • 以此區間的正距離改寫。
  • x 增加使距離及平方嚴格減少。

先思考,待同學準備好再展開提示。

12 / 遷移#獨立練習

選 a∈[0,1],使 (x−a)² 在 x∈[−1,2] 的最大值盡量小,證明選擇。

M(a)=max⁡−1≤x≤2(x−a)2M(a)=\max_{-1\le x\le2}(x-a)^2
  • a∈[0,1]、x∈[−1,2]。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
最壞輸入在端點之一。
提示 2
平衡距離 a+1 及 2−a。
完整解答
  1. 表示競爭的端點代價。

    M(a)=max⁡((a+1)2,(2−a)2)M(a)=\max((a+1)^2,(2-a)^2)
  2. 距離之和為 3,故較大者至少 1.5。

    M(a)≥(3/2)2=9/4M(a)\ge(3/2)^2=9/4
  3. 等號要求等距且中心可行。

    a+1=2−a⇒a=1/2a+1=2-a\Rightarrow a=1/2

a=1/2;最小的最壞值為 9/4。

檢查與易錯點:此題對第二變量的最大值再最小化;選頂點輸出零回答的是另一問題。

推理清單・自評/教師評核
  • 表示競爭的端點代價。
  • 距離之和為 3,故較大者至少 1.5。
  • 等號要求等距且中心可行。

先思考,待同學準備好再展開提示。

13 / 遷移#獨立練習

控制器只允許 0 至 5 的整數設定。求損失最小的設定,說明只查端點及只用頂點為何均失敗。

L(n)=(n−2.4)2+1L(n)=(n-2.4)^2+1
  • n∈{0,1,2,3,4,5}。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
找實頂點兩旁整數。
提示 2
比較 n=2 及 3。
完整解答
  1. 計算最近允許候選值。

    L(2)=1.16,L(3)=1.36L(2)=1.16,\quad L(3)=1.36
  2. 其他允許整數均更遠。

    n=2 uniquelyn=2\text{ uniquely}

設定 2,損失 1.16。

檢查與易錯點:頂點 2.4 禁止;最優整數在內部,所以只查端點亦失敗。

推理清單・自評/教師評核
  • 計算最近允許候選值。
  • 其他允許整數均更遠。

先思考,待同學準備好再展開提示。

專注一道題目

課末檢核與訂正

回看最近核對的答案及解釋;改動草稿後須重新核對。書面推理需要自評或教師評核。

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    選擇需要重溫的補底知識 ↗

    教師備課與評核

    40 分鐘教案

    分鐘環節教師及學生任務
    5檢查可行性計算前使用兩區間診斷。
    8建立候選表比較兩端點及允許頂點。
    10改定義域同桌把閉端點改開,解釋取得性。
    12平衡最壞情況小組畫極小化最大值題的兩端點距離曲線。
    5離堂比較問限制整數輸入後保留哪些候選值。

    提問順序

    • 任何計算前,哪些候選值被禁止?
    • 正在最小化 f 還是 f 的最大值?

    板書發展

    • 使用可行候選表。
      L,h,UL,h,U
    • 平衡端點距離。
      a+1=2−aa+1=2-a

    預期正誤回答

    • a>0 時「頂點在外,用最近端點」有理據。
    • 在 (0,1) 答「最小值零」混淆取得及界限。

    追問

    • a<0 時候選值角色如何反轉?

    補救

    • 先塗定義域再畫頂點,圈出排除候選值。

    離堂檢核

    • 求 −(x−1)² 在 [2,4] 的兩最值。預期最大 −1、最小 −9。

    評核清單與作答示例

    • 2 分:候選有效性。
      完整:端點及內部檢查;部分:不管定義域只用全域頂點。
    • 2 分:極小化最大值證明。
      完整:距離和 3、最大至少 1.5、a=0.5 等號;部分:只猜中點。

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    教材與來源說明 ↗