C 方程不等式与成立条件 · 07

判别式、实根与图象交点

一元二次方程的实根个数与抛物线和 $x$ 轴的交点个数并不是两个独立结论。它们都在判断同一个二次式何时等于 $0$,而判别式的符号正好给出这个判断。

二次条件

先守住二次条件

设 $a,b,c\in\mathbb R$,且 $a\ne0$:

$$f(x)=ax^2+bx+c.$$

$a\ne0$ 保证 $f$ 确实是二次函数,$ax^2+bx+c=0$ 确实是一元二次方程。若 $a=0$,对象会降为一次式或常数式,不能再套用一元二次方程的判别式结论。

配方与判别式

判别式怎样从方程中出现

从方程

$$ax^2+bx+c=0$$

出发。因为 $a\ne0$,两边同乘非零数 $4a$ 不改变方程的解,得到

$$4a^2x^2+4abx+4ac=0.$$

把 $4ac$ 移到右边,再在两边同时加上 $b^2$,左边就能配成完全平方:

$$4a^2x^2+4abx+b^2=b^2-4ac,$$

也就是

$$(2ax+b)^2=b^2-4ac.$$

把右边记作

$$\Delta=b^2-4ac,$$

称为这个一元二次方程的判别式。于是,方程有没有实根、实根是否相同,转化成了实数平方能否等于 $\Delta$。

三种实根

三种符号对应三种实根情形

当 $\Delta>0$ 时,$\sqrt\Delta$ 是正实数,由

$$2ax+b=\pm\sqrt\Delta$$

得到两个不同的实根

$$x_1=\frac{-b-\sqrt\Delta}{2a}$$
$$x_2=\frac{-b+\sqrt\Delta}{2a}.$$

分母 $2a$ 不为 $0$,而两个分子相差 $2\sqrt\Delta>0$,所以两根确实不同。

当 $\Delta=0$ 时,$(2ax+b)^2=0$ 只能推出 $2ax+b=0$,因此

$$x_1=x_2=-\frac{b}{2a}.$$

教材把它称为两个相等的实根;从不同实数解的个数看,只有一个实数解。

当 $\Delta<0$ 时,实数的平方不可能等于负数,所以方程没有实根。三种情况来自平方的正、零、负边界,不是孤立记忆的分类。

根与交点

实根与交点为什么一一对应

函数图象由点 $(x,f(x))$ 组成,而 $x$ 轴上的点纵坐标为 $0$。因此,对任意实数 $x_0$,

下面三种说法相互等价:

$x_0$ 是方程的根。

$f(x_0)=0$。

$(x_0,0)$ 是图象与 $x$ 轴的交点。

这个双向关系说明:$\Delta>0$ 时,方程有两个不同实根,抛物线与 $x$ 轴有两个交点;$\Delta=0$ 时,只有一个不同的实数解,抛物线与 $x$ 轴只有一个交点;$\Delta<0$ 时没有实根,也没有交点。在一个给定的二次函数中,开口方向由 $a$ 的符号决定,交点个数则由全部系数共同确定的 $\Delta$ 判断;无论开口向上还是向下,根与交点横坐标的双向对应都成立。

适用边界

不能把降次对象放进判别式分类

例如令 $a=0,b=1,c=0$,原式变成 $f(x)=x$,方程 $x=0$ 是一元一次方程,图象也是直线。即使形式上算出 $b^2-4ac=1$,也不能据此称它有“一元二次方程的两个实根”。判别式三分类的前提始终是 $a\ne0$。

判别式连接的是同一个二次对象的两种语言:代数上,它判断方程的实根情形;图象上,它判断抛物线与 $x$ 轴的交点个数。两者一致,是因为根与交点横坐标本来就是同一组实数。