二次方程

二次方程是一种整式方程,主要特点是未知项的最高次数是2,其中最常见的是一元二次方程。

一元二次方程
方程的一般形式
一元二次方程是指只含有一个未知数的二次方程,它的一般形式为:ax^2+bx+c=0\,,其中 a\ne 0。ax^2\,为方程的二次项,a\,为方程的二次项系数;bx\,为一次项,b\,为一次项系数;c\,为常数项。若a=0\,,则该方程没有二次项,即退变为一元一次方程。

求根公式
一元二次方程根的判别式為 \Delta=b^2-4ac\,。

若\Delta>0\,,則該方程有两個不相等的實数根:
x_{1,2} = \frac{-b \pm \sqrt{b^2-4ac}}{2a}\,;

若\Delta=0\,,則該方程有两個相等的實数根:
x_{1,2} = -\frac{b}{2a}\,;

若\Delta,則該方程有一對共軛複數根:
x_{1,2} = \frac{-b \pm i\sqrt{4ac-b^2}}{2a}\,。

由上可知,在實數範圍內求解一元二次方程,當\Delta\geq0\,時,方程有根(有兩個不等實數根或兩個相等實數根);當\Delta時,方程有两个复数根,但是在实数范围无解。

根与系数的关系
设x_1\,,x_2\,是一元二次方程 ax^2+bx+c=0\, (a\ne0\, )的两根,则

两根之和:x_1+x_2=-\frac{b}{a}

两根之积:x_1x_2=\frac{c}{a}

求根公式的由来
中亚细亚的花拉子米 (约780-约850) 在公元820年左右出版了《代数学》。书中给出了一元二次方程的求根公式,并把方程的未知数叫做「根」,其后译成拉丁文radix

我们通常把 x=\frac{-b\pm\sqrt{b^2-4ac}}{2a} 称之为 ax^2+bx+c=0\, 的求根公式:

\begin{align}
ax^2+bx+c&=0 \\
x^2+\frac{b}{a}x+\frac{c}{a}&=0 \\
x^2+\frac{b}{a}x+\left (\frac{b}{2a} \right )^2-\left (\frac{b}{2a} \right )^2+\frac{c}{a}&=0 \\
\left (x+\frac{b}{2a} \right )^2-\frac{b^2}{4a^2}+\frac{c}{a}&=0 \\
\left (x+\frac{b}{2a} \right )^2&=\frac{b^2}{4a^2}-\frac{c}{a} \\
\left (x+\frac{b}{2a} \right )^2&=\frac{b^2-4ac}{4a^2} \\
x+\frac{b}{2a}&=\frac{\pm\sqrt{b^2-4ac}}{2a} \\
x&=\frac{-b\pm\sqrt{b^2-4ac}}{2a}
\end{align}

或不將x^2係數化為1:

\begin{align}
ax^2+bx+c&=0 \\
ax^2+bx+ \left (\frac{b}{2\sqrt{a}} \right)^2&=\left (\frac{b}{2\sqrt{a}} \right)^2 - c \\
\left (x\sqrt{a}+\frac{b}{2\sqrt{a}} \right)^2&=\left (\frac{b}{2\sqrt{a}} \right)^2 - c \\
x\sqrt{a}+\frac{b}{2\sqrt{a}}&=\pm\sqrt{\left (\frac{b}{2\sqrt{a}} \right)^2 - c} \\
x\sqrt{a}+\frac{b}{2\sqrt{a}}&=\pm\sqrt{\frac{b^2}{4a} - c} \\
x+\frac{b}{2a}&=\pm\sqrt{\frac{b^2}{4a^2} - \frac{c}{a}} \\
x+\frac{b}{2a}&=\pm\sqrt{\frac{b^2}{4a^2} - \frac{4ac}{4a^2}} \\
x&=-\frac{b}{2a}\pm\sqrt{\frac{b^2-4ac}{4a^2}} \\
x&=\frac{-b\pm\sqrt{b^2-4ac}}{2a}
\end{align}

对应函数的极值
设 y=ax^2+bx+c\,(a \ne 0\,),

对x\,求导,得

:\frac{\mathop{\mbox{d}}y}{\mathop{\mbox{d}}x} = 2ax+b

令 \frac{\mathop{\mbox{d}}y}{\mathop{\mbox{d}}x}=0,得

:
\begin{align}x&=-\frac{b}{2a}
\end{align}

即为 y\,的极值点,该式亦为函数图形(即抛物线)的对称轴方程。
将 x=-\frac{b}{2a} 代入 y\,,可得

:
\begin{align}
y&=-\frac{b^2-4ac}{4a}
\end{align}

即为 y\, 的极值。

根据函数取极值的充分条件,即:

f*(x),x\,是f(x)\, 的极大值点,

f*(x)>0\,,x\,是f(x)\, 的极小值点;

由\frac{\mathop{\mbox{d}}^2y}{\mathop{\mbox{d}}x^2}=2a,可知:

当a时(抛物线开口向下),x=-\frac{b}{2a}为y\,的极大值点;

当a>0\,时(抛物线开口向上),x=-\frac{b}{2a}为y\,的极小值点。

參見
*一次方程
*抛物綫
*配方法
*圆锥曲线

参考

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