Algebra · real student question

已知二次函数 f 满足 f(x) ≤ 0 的解集恰好是 −1 ≤ x ≤ 5,且 f(x) 的最小值为 −18,求不等式 f(x) ≤ 6 的解集。

Question

f(x)f(x) 是二次函数,不等式 f(x)0f(x)\le 0 的解集恰好是

1x5,-1\le x\le 5,

f(x)f(x) 在全体实数上的最小值为 18-18。试求不等式

f(x)6f(x)\le 6

的解集。

Step-by-step solution

  1. 从解集里直接读出零点和开口方向。 f(x)0f(x)\le0 恰好在一个有界闭区间上成立,说明 ff 在两个端点处取零,在它们之间严格为负。也就是说,1-155 正是两个根,而且抛物线开口向上(如果开口向下,f0f\le0 的解集会是两条向外的射线)。因此

    f(x)=a(x+1)(x5),a>0.f(x)=a(x+1)(x-5),\qquad a>0.

  2. 用对称性定顶点,不必配方。 开口向上的抛物线,最小值就落在两根的正中间:

    x顶点=1+52=2.x_{\text{顶点}}=\frac{-1+5}{2}=2.

    题目给出的那个最小值,只可能在这个位置取到。

  3. 把最小值翻译成关于 aa 的方程。

    f(2)=a(2+1)(25)=9af(2)=a(2+1)(2-5)=-9a

    9a=18a=2-9a=-18\quad\Longrightarrow\quad a=2

    符号检验也通过了:a=2>0a=2>0,与第一步推出的开口向上一致。于是

    f(x)=2(x+1)(x5)=2x28x10.f(x)=2(x+1)(x-5)=2x^2-8x-10.

  4. f(x)6f(x)\le 6 把所有项移到一边,再除以正的二次项系数(除以正数不会改变不等号方向):

    2x28x106    2x28x160    x24x80.2x^2-8x-10\le6\;\Longrightarrow\;2x^2-8x-16\le0\;\Longrightarrow\;x^2-4x-8\le0.

  5. 求出边界方程的根,再挑对该取哪一侧。

    x=4±16+322=4±432=2±23x=\frac{4\pm\sqrt{16+32}}{2}=\frac{4\pm4\sqrt3}{2}=2\pm2\sqrt3

    由于 x24x8x^2-4x-8 开口向上,它只有在两根之间0\le0

    223x2+23(约为 1.464x5.464).2-2\sqrt3\le x\le 2+2\sqrt3\qquad(\text{约为 }-1.464\le x\le5.464).

  6. 用题目给的条件再核一遍答案。 新区间以 x=2x=2 为中心,正是同一条对称轴;而且它严格包含 [1,5][-1,5]——必然如此,因为在开口向上的抛物线上,66 这条水平线高于 00。代入端点验证:f(2+23)=2(3+23)(3+23)=2(129)=6f\left(2+2\sqrt3\right)=2\left(3+2\sqrt3\right)\left(-3+2\sqrt3\right)=2\left(12-9\right)=6,恰好就是边界值。

Answer

223x2+232-2\sqrt{3}\le x\le 2+2\sqrt{3}

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