Как построить график параболы
График квадратичной функции y = ax² + bx + c (парабола)
Квадратичная функция — одна из важнейших функций школьной и вузовской математики. Её график — парабола — симметричная кривая с единственной вершиной, направленная вверх или вниз в зависимости от знака старшего коэффициента. Ниже подробно разобраны все ключевые свойства функции \( y = ax^2 + bx + c \): переменные, область определения и значений, экстремумы, производная, первообразная, а также наглядный пример с таблицей значений и пошаговым построением.
Что представляет собой график
График функции \( y = ax^2 + bx + c \) — это парабола. Кривая имеет ось симметрии, проходящую через вершину, и неограниченно продолжается вверх или вниз:
- При \( a > 0 \) ветви параболы направлены вверх (кривая имеет форму «чаши»). Вершина является точкой минимума.
- При \( a < 0 \) ветви направлены вниз (кривая имеет форму «горки»). Вершина является точкой максимума.
Координаты вершины параболы вычисляются по формулам:
\[ x_0 = -\frac{b}{2a}, \qquad y_0 = -\frac{b^2 – 4ac}{4a} = -\frac{D}{4a} \]
где \( D = b^2 – 4ac \) — дискриминант. Ось симметрии параболы — вертикальная прямая \( x = x_0 \).
Парабола описывает множество реальных процессов: траекторию тела, брошенного под углом к горизонту, форму зеркала телескопа, зависимость тормозного пути от скорости, распределение прибыли от объёма производства и многое другое.
Значение каждой переменной
\( x \) — аргумент (независимая переменная) Входное значение, подставляемое в формулу. Принимает любое действительное число. \( y \) — значение функции (зависимая переменная) Результат вычисления при заданном \( x \). Определяет вертикальную координату соответствующей точки на графике. \( a \) — старший коэффициент Определяет направление и ширину параболы. При \( a > 0 \) ветви смотрят вверх, при \( a < 0 \) — вниз. Чем больше \( |a| \), тем уже парабола; чем меньше \( |a| \), тем шире она раскрывается. Значение \( a = 0 \) недопустимо — функция перестаёт быть квадратичной. \( b \) — коэффициент при первой степени Влияет на горизонтальное смещение вершины параболы. Совместно с \( a \) определяет абсциссу вершины: \( x_0 = -\frac{b}{2a} \). При \( b = 0 \) ось симметрии параболы совпадает с осью ординат. \( c \) — свободный член Значение функции при \( x = 0 \), то есть точка пересечения параболы с осью Y: точка \( (0;\, c) \). Геометрически это вертикальный сдвиг всей кривой.
Область определения
Квадратичная функция определена для всех действительных чисел — в формуле нет операций, ограничивающих допустимые значения аргумента:
\[ D(f) = (-\infty;\, +\infty) = \mathbb{R} \]
Область значений
Область значений зависит от направления ветвей параболы и ординаты вершины \( y_0 \):
- При \( a > 0 \) (ветви вверх) функция принимает значения от вершины до бесконечности: \( E(f) = [\,y_0;\, +\infty) \)
- При \( a < 0 \) (ветви вниз) функция принимает значения от минус бесконечности до вершины: \( E(f) = (-\infty;\, y_0\,] \)
где \( y_0 = -\dfrac{D}{4a} \) — ордината вершины параболы.
Максимум и минимум
Квадратичная функция имеет ровно один экстремум — в вершине параболы:
- При \( a > 0 \): вершина является точкой минимума. Максимума не существует — функция неограниченно возрастает при \( x \to \pm\infty \). \[ y_{\min} = y_0 = -\frac{D}{4a}, \qquad y_{\max} \text{ не существует} \]
- При \( a < 0 \): вершина является точкой максимума. Минимума не существует — функция неограниченно убывает при \( x \to \pm\infty \). \[ y_{\max} = y_0 = -\frac{D}{4a}, \qquad y_{\min} \text{ не существует} \]
Координата \( x \), при которой достигается экстремум:
\[ x_0 = -\frac{b}{2a} \]
Производная
Производная квадратичной функции — линейная функция:
\[ (ax^2 + bx + c)’ = 2ax + b \]
Производная обращается в ноль при \( x = -\frac{b}{2a} \) — именно в этой точке находится вершина параболы. Знак производной определяет поведение функции:
- При \( a > 0 \): функция убывает на \( \left(-\infty;\, -\frac{b}{2a}\right) \) и возрастает на \( \left(-\frac{b}{2a};\, +\infty\right) \).
- При \( a < 0 \): функция возрастает на \( \left(-\infty;\, -\frac{b}{2a}\right) \) и убывает на \( \left(-\frac{b}{2a};\, +\infty\right) \).
Первообразная (неопределённый интеграл)
Первообразная квадратичной функции — кубическая функция:
\[ \int (ax^2 + bx + c)\, dx = \frac{a}{3}\,x^3 + \frac{b}{2}\,x^2 + cx + C \]
Здесь \( C \) — произвольная постоянная интегрирования.
Пример: y = x² – 4x + 3
Рассмотрим квадратичную функцию с коэффициентами \( a = 1 \), \( b = -4 \), \( c = 3 \).
Шаг 1. Вершина параболы
\[ x_0 = -\frac{-4}{2 \cdot 1} = 2 \]
\[ y_0 = (2)^2 – 4 \cdot 2 + 3 = 4 – 8 + 3 = -1 \]
Вершина: \( (2;\, -1) \). Поскольку \( a = 1 > 0 \), ветви направлены вверх, и вершина является точкой минимума.
Шаг 2. Нули функции (пересечение с осью X)
Решаем уравнение \( x^2 – 4x + 3 = 0 \):
\[ D = (-4)^2 – 4 \cdot 1 \cdot 3 = 16 – 12 = 4 \]
\[ x_1 = \frac{4 – 2}{2} = 1, \qquad x_2 = \frac{4 + 2}{2} = 3 \]
Парабола пересекает ось \( X \) в точках \( (1;\, 0) \) и \( (3;\, 0) \).
Шаг 3. Пересечение с осью Y
При \( x = 0 \): \( y = 0 – 0 + 3 = 3 \). Точка \( (0;\, 3) \).
Шаг 4. Таблица значений
| x | Подстановка | y |
|---|---|---|
| \( -1 \) | \( (-1)^2 – 4(-1) + 3 \) | \( 8 \) |
| \( 0 \) | \( 0 – 0 + 3 \) | \( 3 \) |
| \( 1 \) | \( 1 – 4 + 3 \) | \( 0 \) |
| \( 2 \) | \( 4 – 8 + 3 \) | \( -1 \) |
| \( 3 \) | \( 9 – 12 + 3 \) | \( 0 \) |
| \( 4 \) | \( 16 – 16 + 3 \) | \( 3 \) |
| \( 5 \) | \( 25 – 20 + 3 \) | \( 8 \) |
Ключевые характеристики примера
- Вершина (минимум): \( (2;\, -1) \).
- Ось симметрии: \( x = 2 \).
- Нули функции: \( x = 1 \) и \( x = 3 \).
- Пересечение с осью Y: \( (0;\, 3) \).
- Направление ветвей: вверх (\( a = 1 > 0 \)).
- Производная: \( y’ = 2x – 4 \). Обращается в ноль при \( x = 2 \).
- Первообразная: \( \frac{x^3}{3} – 2x^2 + 3x + C \).
Обратите внимание на симметрию таблицы относительно вершины: значения \( y \) при \( x = 1 \) и \( x = 3 \) совпадают (\( y = 0 \)), при \( x = 0 \) и \( x = 4 \) совпадают (\( y = 3 \)), при \( x = -1 \) и \( x = 5 \) совпадают (\( y = 8 \)). Это прямое следствие того, что ось симметрии проходит через \( x = 2 \). Для построения параболы достаточно вычислить точки по одну сторону от вершины и отразить их зеркально.