Bài học Toán THPT - Hàm Số Bậc Hai

📘 BÀI HỌC TOÁN 10: HÀM SỐ BẬC HAI

Chương VI: Hàm số, đồ thị và ứng dụng - Bài 16 (Bộ sách Kết nối tri thức với cuộc sống)

1. Khái niệm hàm số bậc hai

📌 Định nghĩa:

Hàm số bậc hai là hàm số được cho bởi công thức dạng:

\[ y = ax^2 + bx + c \]

Trong đó \(a, b, c\) là các số thực cho trước và \(a \ne 0\).

  • Tập xác định của hàm số bậc hai luôn là \(D = \mathbb{R}\).
💡 Chú ý:

Nếu \(a = 0\) thì hàm số trở thành hàm số bậc nhất \(y = bx + c\) (với \(b \ne 0\)). Vì vậy điều kiện \(a \ne 0\) là bắt buộc.

2. Đồ thị của hàm số bậc hai

📌 Hình dạng và đặc điểm đồ thị:

Đồ thị của hàm số bậc hai \(y = ax^2 + bx + c\) (\(a \ne 0\)) là một đường **parabol** có các đặc trưng sau:

  • **Đỉnh:** \(I\left(-\frac{b}{2a}; -\frac{\Delta}{4a}\right)\) trong đó \(\Delta = b^2 - 4ac\) (hoặc tung độ đỉnh tính bằng \(y_I = f\left(-\frac{b}{2a}\right)\)).
  • **Trục đối xứng:** Đường thẳng \(x = -\frac{b}{2a}\) (đây là đường thẳng đi qua đỉnh \(I\) và song song hoặc trùng với trục \(Oy\)).
  • **Bề lõm:**
    • Quay lên trên nếu \(a > 0\).
    • Quay xuống dưới nếu \(a < 0\).
💡 Giao điểm với các trục tọa độ:

• Giao với trục tung \(Oy\): Điểm \((0; c)\).

• Giao với trục hoành \(Ox\): Tọa độ giao điểm là nghiệm của phương trình \(ax^2 + bx + c = 0\).

3. Sự biến thiên của hàm số bậc hai

📌 Bảng biến thiên:

Sự biến thiên của hàm số bậc hai phụ thuộc vào dấu của hệ số \(a\):

a) Trường hợp \(a > 0\):

• Hàm số nghịch biến trên khoảng \(\left(-\infty; -\frac{b}{2a}\right)\).

• Hàm số đồng biến trên khoảng \(\left(-\frac{b}{2a}; +\infty\right)\).

• Giá trị nhỏ nhất (GTNN) của hàm số là \(y_{\text{min}} = -\frac{\Delta}{4a}\) tại \(x = -\frac{b}{2a}\).

b) Trường hợp \(a < 0\):

• Hàm số đồng biến trên khoảng \(\left(-\infty; -\frac{b}{2a}\right)\).

• Hàm số nghịch biến trên khoảng \(\left(-\frac{b}{2a}; +\infty\right)\).

• Giá trị lớn nhất (GTLN) của hàm số là \(y_{\text{max}} = -\frac{\Delta}{4a}\) tại \(x = -\frac{b}{2a}\).

4. Các bước vẽ đồ thị Parabol

📌 Quy trình 4 bước vẽ parabol \(y = ax^2 + bx + c\):
  1. **Bước 1:** Xác định tọa độ đỉnh \(I\left(-\frac{b}{2a}; f\left(-\frac{b}{2a}\right)\right)\).
  2. **Bước 2:** Vẽ trục đối xứng \(x = -\frac{b}{2a}\).
  3. **Bước 3:** Xác định một số điểm cụ thể thuộc đồ thị (ví dụ: giao điểm với trục \(Oy\) là \((0; c)\), giao điểm với trục \(Ox\) nếu có, và lấy các điểm đối xứng qua trục đối xứng).
  4. **Bước 4:** Vẽ đường parabol đi qua các điểm đã tìm, đảm bảo bề lõm quay lên trên nếu \(a > 0\) và quay xuống dưới nếu \(a < 0\).

5. Ví dụ minh họa & Bài tập tự luyện

Ví dụ 1 Khảo sát sự biến thiên và tìm đỉnh

Cho hàm số bậc hai \(y = x^2 - 4x + 3\).

a) Xác định tọa độ đỉnh và trục đối xứng của parabol.

b) Lập bảng biến thiên và tìm khoảng đồng biến, nghịch biến của hàm số.

Lời giải:

a) Ta có các hệ số: \(a = 1\), \(b = -4\), \(c = 3\).

• Hoành độ đỉnh: \(x_I = -\frac{b}{2a} = -\frac{-4}{2 \cdot 1} = 2\).

• Tung độ đỉnh: \(y_I = f(2) = 2^2 - 4(2) + 3 = -1\).

Do đó, đỉnh của parabol là \(I(2; -1)\) và trục đối xứng là đường thẳng \(x = 2\).

b) Vì \(a = 1 > 0\) nên hàm số:

• Nghịch biến trên khoảng \((-\infty; 2)\).

• Đồng biến trên khoảng \((2; +\infty)\).

• Giá trị nhỏ nhất của hàm số bằng \(-1\) tại \(x = 2\).

Ví dụ 2 Xác định parabol khi biết dữ kiện

Xác định hàm số bậc hai \(y = ax^2 + bx + 2\) biết rằng đồ thị đi qua điểm \(A(1; 3)\) và có trục đối xứng \(x = 2\).

Lời giải:

• Đồ thị đi qua điểm \(A(1; 3)\) nên thay \(x = 1, y = 3\) vào công thức ta được:

\[ a(1)^2 + b(1) + 2 = 3 \iff a + b = 1 \quad (1) \]

• Đồ thị có trục đối xứng \(x = 2\), suy ra:

\[ -\frac{b}{2a} = 2 \iff -b = 4a \iff 4a + b = 0 \quad (2) \]

Giải hệ phương trình \((1)\) và \((2)\):

\[ \begin{cases} a + b = 1 \\ 4a + b = 0 \end{cases} \iff \begin{cases} 3a = -1 \\ b = 1 - a \end{cases} \iff \begin{cases} a = -\frac{1}{3} \\ b = \frac{4}{3} \end{cases} \]

Vậy hàm số cần tìm là: \(y = -\frac{1}{3}x^2 + \frac{4}{3}x + 2\).

Bài tập tự luyện:

Bài 1: Cho hàm số \(y = -x^2 + 2x + 3\).

a) Tìm tọa độ đỉnh, trục đối xứng và lập bảng biến thiên của hàm số.

b) Tìm giá trị lớn nhất của hàm số trên \(\mathbb{R}\).

Bài 2: Xác định hàm số bậc hai \(y = ax^2 + bx + c\) biết đồ thị hàm số có đỉnh \(I(1; -4)\) và cắt trục tung tại điểm có tung độ bằng \(-3\).