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學習・解釋・訂正

頂點式與配方法

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 · 2.3 · PDF 57 / 印刷頁 50

專題 01

頂點式與配方法

透過平方解釋轉折點、對稱及受限制最值。

學完之後,你能解釋

  • 配方而不改變函數。
  • 區分最值、取得最值的輸入及允許定義域。

把變動部分配成平方

展開式不易看出變動部分在哪個輸入為零。

a 的符號決定平方為零時取得最小或最大值。

ax2+bx+c=a(x−h)2+kax^2+bx+c=a(x-h)^2+k
  1. 配方前先提出 a。

    a[x2+(b/a)x]+ca[x^2+(b/a)x]+c
  2. 加上及減去同一平方。

    h=−b/(2a),k=c−b2/(4a)h=-b/(2a),\quad k=c-b^2/(4a)

成立條件

  • a≠0;實數平方非負。

反例:−(x−2)²+1 有最大值而非最小值。

  • 連結展開式、頂點式及圖像對稱軸。

距離及可行性

實數頂點可能落在兩個允許整數輸入之間。

與 h 等距的輸入給出相同輸出;受限制最值須用允許輸入。

f(h−d)=f(h+d)f(h-d)=f(h+d)
  1. 對稱輸入產生相同平方。

    a(±d)2+k=ad2+ka(\pm d)^2+k=ad^2+k
  2. h 非整數時比較鄰近整數。

    n∈{⌊h⌋,⌈h⌉}n\in\{\lfloor h\rfloor,\lceil h\rceil\}

成立條件

  • 只用可行候選值;a<0 時反轉距離比較。

反例:不可分割包裝的實數最優值 4.5 包不是可行購買量。

  • 使用對稱數表及允許輸入的數線。

預測 → 操作 → 解釋 → 遷移

先留下預測,再探索關係。

課節思考:a、k 固定時,移動 h 怎樣改變頂點?

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。

頂點 (1,-1);最小值 -1。等距給等值。-665-5

頂點 (1,-1);最小值 -1。等距給等值。

圖像的數值資料,可列印
輸入輸出到 h 距離
-132
001
1-10
201
332

解釋:比較 h 兩側等距輸入,再反轉 a。

遷移:把 h 放在整數之間,製造並列整數最值。

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

求最小值及取得位置。

f(x)=x2−6x+5f(x)=x^2-6x+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
把 x²−6x 配方。
提示 2
加上及減去 9。
完整解答
  1. 保持等式。

    f=(x−3)2−4f=(x-3)^2-4
  2. 限制平方並辨認等號。

    (x−3)2≥0,x=3 at equality(x-3)^2\ge0,\quad x=3\text{ at equality}

x=3 時最小值為 −4。

檢查與易錯點:最值及其輸入是答案的不同部分。

先思考,待同學準備好再展開提示。

02 / 鞏固#示範例題

求頂點為 (2,−3)、通過 (0,5) 的二次函數。

(h,k)=(2,−3)(h,k)=(2,-3)

已提供首步,請接續推理:使用頂點式。

y=a(x−2)2−3y=a(x-2)^2-3
  • 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
先寫出頂點資料。
提示 2
代入另一點求 a。
完整解答
  1. 使用頂點式。

    y=a(x−2)2−3y=a(x-2)^2-3
  2. 用另一點決定伸縮係數。

    5=4a−3⇒a=25=4a-3\Rightarrow a=2

y=2(x−2)²−3。

檢查與易錯點:另一點的 x 坐標不同,故能唯一決定 a。

先思考,待同學準備好再展開提示。

03 / 遷移#示範例題

長方形四邊共用 20 米圍欄,證明最大面積。

P=20P=20
  • 邊長為正實數。
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
用周長消去一條邊。
提示 2
把 x(10−x) 配方。
完整解答
  1. 表示正邊長。

    x,10−x,0<x<10x,10-x,\quad0<x<10
  2. 平方給出上界及可行等號情況。

    A=25−(x−5)2≤25,x=5A=25-(x-5)^2\le25,\quad x=5

5 米正方形取得 25 平方米。

檢查與易錯點:模型及等號情況都須符合正邊長。

先思考,待同學準備好再展開提示。

04 / 基礎#獨立練習

求頂點的 x 坐標。

y=2(x+1)2−5y=2(x+1)^2-5
  • 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
令平方為零。
提示 2
解 x+1=0。
完整解答
  1. 找出平方為零處。

    x+1=0x+1=0
  2. 求解並檢驗高度。

    x=−1,y=−5x=-1,\quad y=-5

−1。

檢查與易錯點:x+1 即 x−(−1)。

先思考,待同學準備好再展開提示。

05 / 基礎#獨立練習

改寫成頂點式並指出頂點。

y=2x2+8x+3y=2x^2+8x+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
首兩項提出 2。
提示 2
括號內加上及減去 4。
完整解答
  1. 保留外部係數。

    y=2[(x+2)2−4]+3y=2[(x+2)^2-4]+3
  2. 合併完整補償項。

    y=2(x+2)2−5y=2(x+2)^2-5

頂點 (−2,−5)。

檢查與易錯點:只減 4 而非 8 會改變函數。

推理清單・自評/教師評核
  • 保留外部係數。
  • 合併完整補償項。

先思考,待同學準備好再展開提示。

06 / 基礎#獨立練習

二次函數對稱軸 x=4,f(1)=2。求 f(7)。

h=4,f(1)=2h=4,\quad f(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
比較到軸的距離。
提示 2
兩距離均為 3。
完整解答
  1. 檢查對稱輸入。

    (1−4)2=(7−4)2(1-4)^2=(7-4)^2
  2. 使用輸出相等。

    f(7)=f(1)=2f(7)=f(1)=2

2。

檢查與易錯點:對稱免去求不必要的係數。

先思考,待同學準備好再展開提示。

07 / 基礎#獨立練習

求全體實數 x 下的最大輸出。

f(x)=−3(x−2)2+12f(x)=-3(x-2)^2+12
  • 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
平方非負。
提示 2
乘 −3 反轉次序。
完整解答
  1. 限制變量項。

    −3(x−2)2≤0-3(x-2)^2\le0
  2. 檢查等號能取得。

    f≤12,f(2)=12f\le12,\quad f(2)=12

12。

檢查與易錯點:負係數使此處為最大值。

先思考,待同學準備好再展開提示。

08 / 鞏固#獨立練習

不展開,比較 f(1) 與 f(4)。

f(x)=(x−3)2−4f(x)=(x-3)^2-4
  • 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
哪個輸入較接近 3?
提示 2
距離分別為 2 及 1。
完整解答
  1. 比較到軸的距離。

    ∣1−3∣=2>∣4−3∣=1|1-3|=2>|4-3|=1
  2. 平方保留非負數的次序。

    f(1)=0>f(4)=−3f(1)=0>f(4)=-3

f(1)>f(4)。

檢查與易錯點:減去共同常數保留比較結果。

推理清單・自評/教師評核
  • 比較到軸的距離。
  • 平方保留非負數的次序。

先思考,待同學準備好再展開提示。

09 / 鞏固#獨立練習

以下為二次函數的數值。還原方程並說明對稱軸。

x=(−2,−1,0,1,2),y=(6,3,2,3,6)x=(-2,-1,0,1,2),\quad y=(6,3,2,3,6)
  • 已知函數為二次函數。
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
使用對稱點對。
提示 2
對稱軸為 0,f(0)=2。
完整解答
  1. 寫出所得頂點式。

    f=ax2+2f=ax^2+2
  2. 使用及檢驗非中心點。

    3=a+2⇒a=1,f(2)=63=a+2\Rightarrow a=1,\quad f(2)=6

y=x²+2。

檢查與易錯點:二次函數的已知條件重要;五值不能決定任意函數。

推理清單・自評/教師評核
  • 寫出所得頂點式。
  • 使用及檢驗非中心點。

先思考,待同學準備好再展開提示。

10 / 鞏固#獨立練習

把 y=x² 右移兩單位、上移三單位,寫方程及頂點。

y=x2y=x^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
舊輸入零須在新輸入二出現。
提示 2
以 x−2 代替 x,再加 3。
完整解答
  1. 分別處理水平及垂直改變。

    y=(x−2)2+3y=(x-2)^2+3
  2. 找出平方為零處。

    (h,k)=(2,3)(h,k)=(2,3)

y=(x−2)²+3;頂點 (2,3)。

檢查與易錯點:右移在輸入內使用減法。

推理清單・自評/教師評核
  • 分別處理水平及垂直改變。
  • 找出平方為零處。

先思考,待同學準備好再展開提示。

11 / 鞏固#獨立練習

最小值為 5,求正數 k。

f=x2−2kx+9,k>0f=x^2-2kx+9,\quad k>0
  • k>0。
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
保留 k 配方。
提示 2
最小值為 9−k²。
完整解答
  1. 找出依賴參數的最小值。

    f=(x−k)2+9−k2f=(x-k)^2+9-k^2
  2. 求解並使用 k>0。

    9−k2=5⇒k=29-k^2=5\Rightarrow k=2

2。

檢查與易錯點:符號限制排除另一代數候選值。

先思考,待同學準備好再展開提示。

12 / 遷移#獨立練習

構造零點 1、5 且最小值 −8 的二次函數,證明唯一性。

r1=1,r2=5,min⁡f=−8r_1=1,r_2=5,\quad\min f=-8
  • 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
用根找軸,再找伸縮係數。
提示 2
把中點代入 a(x−1)(x−5)。
完整解答
  1. 所有候選式有此因式式及軸。

    f=a(x−1)(x−5),h=3f=a(x-1)(x-5),\quad h=3
  2. 配合最小值;唯一 a 為正。

    −4a=−8⇒f=2(x−3)2−8-4a=-8\Rightarrow f=2(x-3)^2-8

唯一為 f=2(x−3)²−8。

檢查與易錯點:此題連結截距及最值資料,而非重複單一表示。

推理清單・自評/教師評核
  • 所有候選式有此因式式及軸。
  • 配合最小值;唯一 a 為正。

先思考,待同學準備好再展開提示。

13 / 遷移#獨立練習

成本 C(n) 適用於 1 至 7 的整數包數。說明所有最優包數,以及實數頂點為何不足。

C(n)=n2−9n+30C(n)=n^2-9n+30
  • n 為 1 至 7 的整數;假設模型在此集合成立。
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
定位實數頂點,再比較允許的鄰近值。
提示 2
4、5 與 4.5 等距。
完整解答
  1. 顯示實數界限。

    C=(n−4.5)2+9.75C=(n-4.5)^2+9.75
  2. 使用最小允許距離。

    C(4)=C(5)=10C(4)=C(5)=10

4 包或 5 包;最小成本 10。

檢查與易錯點:其他允許整數均更遠,故已列出全部最優值。

推理清單・自評/教師評核
  • 顯示實數界限。
  • 使用最小允許距離。

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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    教師備課與評核

    40 分鐘教案

    分鐘環節教師及學生任務
    5診斷符號用兩診斷題,問平方在哪裏為零。
    8建立平方追蹤 x²−6x+5 中加減的常數。
    10比較形式同桌由頂點及一點還原二次式,再解釋對稱數表。
    12辯護選擇小組解包數題,質疑任意取整。
    5離堂檢核分開最值及取得最值的輸入。

    提問順序

    • 為何加入平方後亦須減去?
    • 兩個不同允許輸入可否並列最優?

    板書發展

    • 保持等式。
      x2−6x+5=(x−3)2−4x^2-6x+5=(x-3)^2-4
    • 比較允許距離。
      C=(n−4.5)2+9.75C=(n-4.5)^2+9.75

    預期正誤回答

    • 「平方在 3 為零,所以值為 −4」連結輸入及輸出。
    • 「取整為 5」忽略並列解 4。

    追問

    • 二次項係數為負時改變甚麼?

    補救

    • 軸符號錯誤時,把兩候選輸入代入平方。
    • 補償錯誤時,展開所寫頂點式。

    離堂檢核

    • f=2(x+2)²−1、整數 x≥0,說明最小值。預期 f(0)=7。

    評核清單與作答示例

    • 2 分:配方保持等式。
      完整:2[(x+2)²−4]+3;部分:漏 −8。
    • 2 分:說明可行性及並列。
      完整:n=4 或 5,成本 10;不完整:n=4.5。

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    教材與來源說明 ↗