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] a>0 時最接近 h 的點使平方最小。
xmin=min(U,max(L,h)) 最遠端點使平方最大;a<0 時角色反轉。
dmax=max(∣L−h∣,∣U−h∣)
成立條件
反例:(x−3)² 在 [0,1] 上,x=3 不是候選值。
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} x² 在 (0,1) 上只逼近界限,未取得。
中心可移時,平衡端點距離以縮小較大者。
h=(L+U)/2
成立條件
反例:稱 0 為 x² 在 (0,1) 的最小值是錯,因 x=0 被排除。
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。
圖像的數值資料,可列印| 允許候選值 | 輸出 |
|---|
| -2 | 9 |
| 1 | 0 |
| 3 | 4 |
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。
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+
用頂點式。
f=(x−2)2+1 允許頂點取得下界。
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。
求同一區間上的最大值。
f=(x−2)2+1,x∈[0,3] 已提供首步,請接續推理:計算兩端點。
f(0)=5,f(3)=2 考點與先備課節
範圍:JM01 / JM02
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+
計算兩端點。
f(0)=5,f(3)=2 內部距離最多為 2。
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。
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+
各情況使用最接近零的點。
x∗=t+1, 0, t 把該點平方並保留分類邊界。
m(t)=⎩⎨⎧(t+1)20t2t<−1−1≤t≤0t>0
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。
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+
比較允許距離。
∣2−3∣=1<∣1−3∣=2 計算最近端點。
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。
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+
此區間上平方隨距離增加。
1≤x−3≤3 計算較小距離。
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。
求最大值。
f=−(x−2)2+5,x∈[0,3] 考點與先備課節
範圍:JM01 / JM02
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+
限制變動項。
−(x−2)2≤0 檢驗等號輸入。
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。
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+
找已取得最值。
f(0)=0,f(−2)=4 連續性給出其中所有值。
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
先思考,待同學準備好再展開提示。
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+
輸出嚴格位於兩界限之間。
逼近各排除端點。
x→0+:f→0;x→1−:f→1
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
先思考,待同學準備好再展開提示。
哪些 a 使區間包含頂點?
f=(x−3)2+1,x∈[a,a+2] 考點與先備課節
範圍:JM01 / JM02
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+
包含即兩同時不等式。
a≤3≤a+2 解不等式對。
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
先思考,待同學準備好再展開提示。
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+
兩平方相減。
(1−h)2−(5−h)2=0 使用非零端點距離。
8h−24=0⇒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。
不用導數,說明函數在整段遞增或遞減。
f=(x−2)2,x∈[−1,1] 考點與先備課節
範圍:JM01 / JM02
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+
以此區間的正距離改寫。
f=(2−x)2,1≤2−x≤3 x 增加使距離及平方嚴格減少。
x1<x2⇒f(x1)>f(x2)
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。
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)=−1≤x≤2max(x−a)2 考點與先備課節
範圍:JM01 / JM02
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+
表示競爭的端點代價。
M(a)=max((a+1)2,(2−a)2) 距離之和為 3,故較大者至少 1.5。
M(a)≥(3/2)2=9/4 等號要求等距且中心可行。
a+1=2−a⇒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。
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+1 考點與先備課節
範圍:JM01 / JM02
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+
計算最近允許候選值。
L(2)=1.16,L(3)=1.36 其他允許整數均更遠。
n=2 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
先思考,待同學準備好再展開提示。