這個計算機的用途
這個工具能找出二次函數 \(f(x) = ax^2 + bx + c\) 的轉折點(也就是頂點),並回報它的最大值或最小值。當 \(a\) 為正時,拋物線開口向上,頂點是最低點,屬於最小值;當 \(a\) 為負時,拋物線開口向下,頂點是最高點,屬於最大值。只要 \(a\) 不等於 0,這個工具就適用於任何實數係數。
使用方式
把方程式整理成標準式 \(ax^2 + bx + c\) 後,依序輸入三個係數 \(a\)、\(b\)、\(c\)。計算機會回傳頂點的 \(x\) 座標、極值(也就是 \(y\) 座標),並判斷這個值是最小值還是最大值。如果不小心把 \(a\) 設為 0,那麼這個式子就變成一次(線性)函數,而不是二次函數,計算機會提醒你改填非零的 \(a\)。
公式說明
頂點位於對稱軸上,可以將導數設為零求得:\(x^* = -b/(2a)\)。把這個值代回原函數並化簡後,就能直接得到極值
$$\text{value} = \text{c} - \frac{\text{b}^{2}}{4\,\text{a}}$$這在代數上與「配方法」完全等價,配方法會把二次式改寫成 \(a(x - x^*)^2 + \text{value}\) 的形式。
實際範例
以 \(f(x) = x^2 - 4x + 3\) 為例,此時 \(a = 1\)、\(b = -4\)、\(c = 3\)。頂點 \(x^* = -(-4)/(2\cdot 1) = 2\)。
$$\text{最小值} = 3 - \frac{(-4)^{2}}{4\cdot 1} = 3 - \frac{16}{4} = 3 - 4 = -1$$由於 \(a > 0\),拋物線開口向上,所以 \(-1\) 是最小值,並在 \(x = 2\) 時取得。
常見問題
答案是最小值還是最大值?當 \(a > 0\)(開口向上)時為最小值;當 \(a < 0\)(開口向下)時為最大值。
如果 \(a\) 等於 0 怎麼辦?那麼函數就變成一次函數,沒有頂點;請改填非零的 \(a\)。
這也能算出函數的值域嗎?可以。當 \(a > 0\) 時,值域為 \([\text{value}, \infty)\);當 \(a < 0\) 時,值域為 \((-\infty, \text{value}]\)。