Postać kanoniczna, ogólna i iloczynowa

Zadanie 1.
Musimy podać wzór funkcji w postaci kanonicznej, czyli postaci typu \(y=a(x-p)^2+q\), gdzie \(p\) oraz \(q\) to współrzędne wierzchołka paraboli. Z rysunku odczytujemy, że wierzchołek paraboli znajduje się w punkcie \(W=(-5;6)\), czyli \(p=-5\) oraz \(q=6\). Skoro tak, to wzorem naszej funkcji będzie:
$$y=a(x-(-5))^2+6$$ $$y=a(x+5)^2+6$$

Teoretycznie powinniśmy jeszcze wyznaczyć wartość współczynnika \(a\), choć widzimy, że w każdej z proponowanych odpowiedzi jest on równy -1. Ujemna wartość współczynnika \(a\) jest jak najbardziej w porządku, ponieważ ramiona paraboli są skierowane do dołu. Stąd też odpowiedzią do tego zadania będzie \(y=-(x+5)^2+6\).

Zadanie 2.
Krok 1. Wyznaczenie miejsc zerowych funkcji.
Jedną z własności funkcji kwadratowych jest to, że miejsca zerowe są oddalone od osi symetrii o jednakową liczbę jednostek. Mówiąc bardzo obrazowo, sytuacja z treści zadania będzie wyglądać następująco:


Z rysunku pomocniczego wynika wprost, że miejscami zerowymi są \(x=1\) oraz \(x=5\).

Krok 2. Zapisanie wzoru w postaci iloczynowej.
Znajomość miejsc zerowych pozwala nam zapisać wzór funkcji w postaci iloczynowej, zatem:
$$y=a(x-1)(x-5)$$

Do poznania pełnego wzoru brakuje nam jeszcze znajomości współczynnika \(a\). Poznamy go, podstawiając do wyznaczonej przed chwilą postaci współrzędne punktu \(P=(2;-6)\), zatem:
$$-6=a(2-1)(2-5)$$ $$-6=a\cdot1\cdot(-3)$$ $$-3a=-6$$ $$a=2$$

To oznacza, że pełnym wzorem naszej funkcji będzie \(y=2(x-1)(x-5)\).

Krok 1. Zapisanie współrzędnych wierzchołka paraboli.
Z treści zadania wynika, że nasza funkcja kwadratowa ma ramiona skierowane do góry (przed \(x^2\) nie stoi żadna liczba, więc współczynnik \(a=1\)) i że przyjmuje ona najmniejszą wartość \(y=4\) dla argumentu \(x=2\). W przypadku tej funkcji kwadratowej ta najmniejsza wartość musi być przyjmowana w wierzchołku \(W=(p;q)\), a to oznacza, że \(W=(2;4)\).


Krok 2. Obliczenie wartości współczynnika \(b\).
Skorzystamy ze wzoru na pierwszą współrzędną wierzchołka paraboli, czyli \(p=\frac{-b}{2a}\). Podstawiając do tego wzoru \(p=2\) oraz \(a=1\), otrzymamy:
$$2=\frac{-b}{2\cdot1}$$ $$2=\frac{-b}{2}$$ $$4=-b$$ $$b=-4$$

Krok 3. Obliczenie wartości współczynnika \(c\).
Znając wartość współczynnika \(b\), możemy wrócić do wzoru naszej funkcji i podstawić do niej wszystkie znane nam dane, otrzymując:
$$4=2^2-4\cdot2+c$$ $$4=4-8+c$$ $$4=-4+c$$ $$c=8$$

Krok 1. Wyznaczenie miejsc zerowych funkcji.
Na początek spróbujmy poznać miejsca zerowe naszej funkcji. W tym celu wystarczy sprawdzić, kiedy wzór funkcji będzie równy \(0\), czyli powstanie nam do rozwiązania następujące równanie:
$$-2(x+3)(x-5)=0$$

Jest to równanie kwadratowe zapisane w postaci iloczynowej. Wiemy, że aby rozwiązać takie równanie, wystarczy przyrównać wartości w nawiasach do zera, zatem:
$$x+3=0 \quad\lor\quad x-5=0$$ $$x=-3 \quad\lor\quad x=5$$

W ten sposób błyskawicznie obliczyliśmy, że miejscami zerowymi tej funkcji są \(x=-3\) oraz \(x=5\).

Krok 2. Obliczenie współrzędnej \(x\) wierzchołka paraboli.
Z własności parabol wynika, że współrzędna \(x\) wierzchołka paraboli (zapisywana często jako \(p\)) jest po prostu średnią arytmetyczną miejsc zerowych funkcji. Skoro tak, to:
$$p=\frac{-3+5}{2}$$ $$p=\frac{2}{2}$$ $$p=1$$

To oznacza, że współrzędna \(x\) wierzchołka paraboli jest równa \(1\).

Krok 1. Sporządzenie rysunku pomocniczego.
Kojarząc jak wygląda wykres funkcji kwadratowej \(f(x)=x^2\), powinniśmy samodzielnie przekształcić jej wykres do postaci \(f(x)=-x^2+4\) (minus przed \(x^2\) sprawia, że funkcję opisaną wzorem \(x^2\) musimy narysować do góry nogami, a \(+4\) na końcu wzoru oznacza, że dodatkowo całość trzeba podnieść o \(4\) jednostki do góry). Całość będzie wyglądać następująco:


Krok 2. Odczytanie zbioru wartości funkcji.
Spoglądamy na naszą zieloną funkcję i na oś \(OY\), bo to z niej odczytujemy wartości przyjmowane przez funkcję. Widzimy wyraźnie, że funkcja ta przyjmuje wartości od minus nieskończoności do \(4\), zatem zbiorem wartości jest przedział \((-\infty,4\rangle\).

Funkcja zapisana jest w postaci kanonicznej \(f(x)=a(x-p)^2+q\). Możemy więc zauważyć, że parametr \(m\) jest równy współrzędnej \(q\) wierzchołka paraboli.

Z własności funkcji kwadratowych wynika, że funkcja przyjmuje największą lub najmniejszą wartość w swoim wierzchołku. Nasza funkcja ma ramiona paraboli skierowane do dołu (bowiem współczynnik \(a\) jest ujemny), czyli w wierzchołku będzie przyjmowana największa wartość tej funkcji. Ze zbioru wartości wynika, że największą wartością funkcji jest \(-5\), czyli że \(q=-5\). To oznacza, że tym samym \(m=-5\).

Zbiór wartości funkcji odczytujemy z osi igreków. Widzimy wyraźnie, że funkcja ta przyjmuje wartości od minus nieskończoności aż do jedynki, zatem zbiorem wartości funkcji \(g\) jest przedział \((-\infty;1\rangle\).

Współrzędne wierzchołka paraboli \(W=(p;q)\) możemy wyznaczyć korzystając ze wzorów:
$$p=\frac{-b}{2a}$$ $$q=\frac{-Δ}{4a}$$

Krok 1. Wyznaczenie współrzędnej \(p\).
Ze wzoru funkcji możemy odczytać, że współczynnik \(a=1\), natomiast \(b=-2\). W związku z tym:
$$p=\frac{-b}{2a}$$ $$p=\frac{-(-2)}{2\cdot1}$$ $$p=\frac{2}{2}$$ $$p=1$$

Krok 2. Wyznaczenie współrzędnej \(q\).
Chcąc skorzystać ze wzoru na współrzędną \(q\) musimy najpierw policzyć deltę:
$$Δ=b^2-4ac=(-2)^2-4\cdot1\cdot(-11)=4-(-44)=4+44=48$$

W związku z tym:
$$q=\frac{-Δ}{4a}$$ $$q=\frac{-48}{4\cdot1}$$ $$q=-12$$

Mogliśmy też wyznaczyć współrzędną \(q\) nieco szybciej. Skoro znamy już współrzędną \(p=1\), to wystarczy podstawić do wzoru funkcji pod iksa jedynkę i zobaczyć jaką wartość przyjmuje ta funkcja właśnie dla jedynki. Otrzymamy wtedy:
$$q=1^2-2\cdot1-11$$ $$q=1-2-11$$ $$q=-12$$

To oznacza, że wierzchołek na współrzędne \(W=(1;-12)\).

Krok 1. Wyznaczenie współrzędnych wierzchołka paraboli.
Funkcja dla danego przedziału przyjmuje największą lub najmniejszą wartość albo na krańcach przedziału, albo w swoim wierzchołku (o ile ten wierzchołek mieści się w tym przedziale). Z tego też względu na początku musimy ustalić współrzędne wierzchołka tej paraboli.

Funkcja jest podana w postaci kanonicznej, czyli takiej z której współrzędne wierzchołka są proste do odczytania. Dla wierzchołka o współrzędnych \(W=(p;q)\) funkcja przyjmuje postać:
$$f(x)=a(x-p)^2+q$$

Przyrównując to do wzoru podanego w treści zadania widzimy, że w tym przypadku \(p=2\) oraz \(q=4\), czyli \(W=(2;4)\). To z kolei oznacza, że wierzchołek nie mieści się w naszym przedziale \(\langle3,5\rangle\), czyli w ogóle nie będziemy go rozpatrywać.

Krok 2. Obliczenie wartości funkcji dla \(x=3\) oraz \(x=5\).
Zgodnie z tym co zapisaliśmy sobie na początku - największa wartość funkcji w danym przedziale musi być osiągnięta na krańcach tego przedziału, czyli albo dla \(x=3\) albo dla \(x=5\). Zatem podstawiając te argumenty do wzoru funkcji otrzymamy:
$$f(3)=-(3-2)^2+4=-1^2+4=-1+4=3$$ $$f(5)=-(5-2)^2+4=-3^2+4=-9+4=-5$$

To oznacza, że największą wartością funkcji w przedziale \(\langle3,5\rangle\) jest wartość równa \(y=3\), osiągana dla argumentu \(x=3\).

Równanie paraboli o wierzchołku \(W=(p;q)\) możemy zapisać jako:
$$y=a(x-p)^2+q$$

W naszym przypadku \(p=-3\) oraz \(q=5\), zatem:
$$y=a(x-(-3))^2+5$$ $$y=a(x+3)^2+5$$

Zgodnie z tym wzorem pasowałyby nam pierwsza i trzecia odpowiedź, ale wiemy jeszcze, że parabola ma mieć ramiona skierowane do dołu, tak więc współczynnik \(a\) musi być mniejszy od zera. Taka sytuacja jest w trzeciej odpowiedzi, więc poszukiwanym wzorem jest $$y=-2\cdot(x+3)^2+5$$

Wykres funkcji \(f(x+2)\) jest przekształcony względem funkcji \(f(x)\) w taki sposób, że parabola będzie przesunięta o \(2\) miejsca w lewo. Nie jest dla nas istotne, czy jest to parabola z ramionami do góry (patrz rysunek: linia ciągła), czy z ramionami do dołu (patrz rysunek: linia przerywana). Jeśli wierzchołek \(f(x)\) był w punkcie \((2;2)\), to wierzchołek \(g(x)\) będzie w punkcie \((0;2)\) w obydwu przypadkach i to jest nasza poszukiwana odpowiedź.

Wykres funkcji \(f(x+2)\) jest przekształcony względem funkcji \(f(x)\) w taki sposób, że parabola będzie przesunięta o \(2\) miejsca w lewo. Nie jest dla nas istotne, czy jest to parabola z ramionami do góry (patrz rysunek: linia ciągła), czy z ramionami do dołu (patrz rysunek: linia przerywana). Jeśli wierzchołek \(f(x)\) był w punkcie \((2;2)\), to wierzchołek \(g(x)\) będzie w punkcie \((0;2)\) w obydwu przypadkach i to jest nasza poszukiwana odpowiedź.

Krok 1. Sporządzenie rysunku pomocniczego.
Oś symetrii każdej paraboli przechodzi przez wierzchołek. To oznacza, że musimy znaleźć najpierw współrzędne wierzchołka paraboli (wystarczy nam tak naprawdę współrzędna iksowa wierzchołka, oznaczana zazwyczaj jako \(p\)):



Krok 2. Wyznaczenie współrzędnej iksowej wierzchołka paraboli (czyli współrzędnej \(p\)).
Współrzędną \(p\) wyznaczymy korzystając ze wzoru:
$$p=\frac{-b}{2a}$$

Współczynnik \(b\) oraz \(a\) odczytamy ze wzoru funkcji: \(b=-8\) oraz \(a=-2\), zatem:
$$p=\frac{-(-8)}{2\cdot(-2)}$$ $$p=\frac{8}{-4}$$ $$p=-2$$

Krok 3. Zapisanie równania prostej będącej osią symetrii.
Aby prosta była osią symetrii paraboli to musi przyjąć postać \(x=p\), czyli w naszym przypadku \(x=-2\).

Krok 1. Określenie kiedy funkcja ma pożądany zbiór wartości.
Musimy się zastanowić kiedy nasza funkcja będzie miała przedział wartości \((-\infty,-3\rangle\).

a) Czy parabola będzie mieć ramiona skierowane do dołu, czy do góry?
Jeśli parabola ma ramiona skierowane do góry, to funkcja zawsze dąży do plus nieskończoności. Nasza parabola musi kończyć się na wartości \(-3\), a więc na pewno ma ramiona skierowane do dołu. To oznacza, że współczynnik kierunkowy tej funkcji musi być mniejszy od zera (czyli przed \(x^2\) musi znaleźć się minus).

b) Czym jest liczba \(-3\), która znalazła się w przedziale?
Jest to tak naprawdę współrzędna \(y\) wierzchołka naszej paraboli.

Krok 2. Wskazanie wzoru poszukiwanej funkcji.
Funkcję kwadratową o współrzędnych wierzchołka paraboli \(W=(p;q)\) możemy zapisać jako:
$$y=a(x-p)^2+q$$

Zgodnie z tym co zapisaliśmy w kroku pierwszym, szukamy funkcji która przed \(x^2\) będzie mieć wartość ujemną oraz taką, której \(q=-3\). Taka funkcja znalazła się jedynie w trzeciej odpowiedzi, czyli będzie to \(y=-(x-2)^2-3\).

Krok 1. Ustalenie wartości współrzędnej \(q\).
Skoro wierzchołek określony współrzędnymi \(W=(p;q)\) leży na prostej o równaniu \(y=6\), to znaczy że współrzędna "igrekowa" tego wierzchołka jest równa \(6\), zatem \(q=6\).

Krok 2. Obliczenie wartości parametru \(c\).
Równanie paraboli w postaci kanonicznej możemy zapisać jako \(y=a(x-p)^2+q\), gdzie \(p\) oraz \(q\) to współrzędne wierzchołka paraboli. Przyrównując postać kanoniczną do równania z treści zadania widzimy wyraźnie, że wyraz \(2c\) pokrywa się ze współrzędną \(q\) zatem musimy rozwiązać następujące równanie:
$$2c=q$$ $$2c=6$$ $$c=3$$

Wzór paraboli jest podany w postaci ogólnej \(y=ax^2+bx+c\), co pozwala nam wypisać wartości poszczególnych współczynników:
$$a=1,\;b=8,\;c=-14$$

Wartości współczynników \(a\) oraz \(b\) posłużą nam do wyliczenia pierwszej współrzędnej wierzchołka \(W=(x_{W};y_{W})\), bowiem zgodnie ze wzorem z tablic:
$$x_{W}=\frac{-b}{2a}$$ $$x_{W}=\frac{-8}{2\cdot1}$$ $$x_{W}=\frac{-8}{2}$$ $$x_{W}=-4$$

Zbiór wartości funkcji odczytujemy z osi \(y\). Sprawdźmy więc po kolei jaki zbiór wartości ma każda z narysowanych funkcji:
Funkcja A. \(\langle2;+\infty)\)
Funkcja B. \(\langle-2;+\infty)\)
Funkcja C. \(\langle-2;-\infty)\)
Funkcja D. \(\langle2;-\infty)\)

Poszukiwany przez nas zbiór wartości \(\langle-2;+\infty)\) znalazł się na drugim rysunku.

To zadanie najprościej jest rozwiązać metodą graficzną. Narysujmy sobie wykres funkcji \(g(x)=x^2\) (funkcja niebieska), a następnie przekształcamy ją przesuwając parabolę o cztery jednostki do dołu, tak aby nowa parabola reprezentowała funkcję \(f(x)=x^2-4\) (funkcja zielona).



Teraz z wykresu bardzo łatwo możemy odczytać, że zbiorem wartości tej funkcji kwadratowej jest \(\langle-4;+\infty)\).

Kiedy parabola jest określona wzorem ogólnym typu \(ax^2+bx+c\) (a tak jest w naszym przypadku) to współrzędne wierzchołka \(W=(p;q)\) tej paraboli możemy określić za pomocą wzorów:
$$p=\frac{-b}{2a}$$ $$q=\frac{-Δ}{4a}$$

Jeśli przyjrzymy się odpowiedziom to zauważymy, że musimy wyznaczyć tylko współrzędną \(p\), bo tylko taka się pojawia w tych odpowiedziach, zatem:
Współczynniki: \(a=1,\;b=4,\;c=-13\)
$$p=\frac{-4}{2\cdot1}$$ $$p=\frac{-4}{2}$$ $$p=-2$$

Otrzymany wynik oznacza, że nasz wierzchołek leży na prostej o równaniu \(x=-2\).

Zbiór wartości funkcji odczytujemy z osi \(y\). Nasza funkcja przyjmuje najwyższą wartość równą \(3\), a taka sytuacja jest zawarta jedynie na wykresie z drugiej odpowiedzi.