KURS MATURALNY

Największa i najmniejsza wartość funkcji kwadratowej

Tego się dowiesz!

„Jaka jest największa wartość funkcji?”, „jakie wymiary powinien mieć prostokąt, żeby jego pole było największe?”, „na jaką wysokość wzniesie się piłka?”. Wszystkie te pytania sprowadzają się do szukania wartości największej albo najmniejszej funkcji kwadratowej. W tym wpisie pokazuję, jak to robić w całej dziedzinie i w przedziale, dlaczego wierzchołek czasem jest odpowiedzią, a czasem nie, i jak rozwiązywać zadania optymalizacyjne krok po kroku.

1W całej dziedzinie: wierzchołek

Parabola ma tylko jeden „punkt zwrotny”: wierzchołek W = (p, q). Gdy ramiona idą w górę, wierzchołek jest najniższym punktem wykresu. Gdy idą w dół, jest najwyższym.

a > 0 (ramiona w górę)a < 0 (ramiona w dół)
wartość najmniejszaq, dla x = pbrak
wartość największabrakq, dla x = p
Współrzędne wierzchołka
p = −b2a  q = f(p)

Można też liczyć q = −Δ/4a. Jeśli funkcja jest w postaci kanonicznej a(x − p)² + q, wierzchołek widać od razu.

PrzykładWyznacz najmniejszą wartość funkcji f(x) = 2x2 − 8x + 3.

a = 2 > 0, więc funkcja ma wartość najmniejszą w wierzchołku. p = 84 = 2, q = f(2) = 8 − 16 + 3 = −5. Wartości największej nie ma, bo ramiona rosną w nieskończoność.

Odpowiedźnajmniejsza wartość to −5, dla x = 2
Uwaga na częsty błądWartość funkcji to liczba y, czyli q, a nie argument x = p. Na pytanie „jaka jest najmniejsza wartość” odpowiadamy −5, a nie 2. Argument p podajemy dodatkowo, gdy pytanie brzmi „dla jakiego x”.

2W przedziale: przepis w 4 krokach

Gdy funkcja jest rozważana tylko w przedziale, na przykład ⟨−1; 3⟩, wierzchołek może leżeć w środku tego przedziału albo poza nim. Od tego zależy odpowiedź.

Przepis dla przedziału domkniętego ⟨m; n⟩

1. Oblicz p, pierwszą współrzędną wierzchołka.

2. Sprawdź, czy p należy do przedziału ⟨m; n⟩.

3. Oblicz f(m) i f(n), a jeśli p należy do przedziału, także f(p).

4. Największa z obliczonych liczb to wartość największa, najmniejsza to wartość najmniejsza.

Dlaczego to działa? Na fragmencie paraboli wartość skrajną może dać tylko wierzchołek (jeśli jest w tym fragmencie) albo jeden z końców. Żaden inny punkt nie może być wyżej ani niżej od wszystkich tych trzech.

Przypadek 1: wierzchołek w przedziale

PrzykładWyznacz największą i najmniejszą wartość funkcji f(x) = x2 − 4x + 1 w przedziale ⟨−1; 3⟩.
p = 42 = 2krok 1
2 ∈ ⟨−1; 3⟩krok 2: wierzchołek należy
f(2) = 4 − 8 + 1 = −3krok 3
f(−1) = 1 + 4 + 1 = 6
f(3) = 9 − 12 + 1 = −2
−3−2−1123456−4−22468f(−1) = 6f(3) = −2W: f(2) = −3
Pomarańczowe tło: rozważany przedział. Czerwony: wykres w tym przedziale.

Krok 4: z liczb −3, 6 i −2 najmniejsza to −3, a największa 6. Czerwony fragment paraboli to część w przedziale: najniżej jest w wierzchołku, najwyżej na lewym końcu.

Odpowiedźnajmniejsza: −3 (dla x = 2), największa: 6 (dla x = −1)

Przypadek 2: wierzchołek poza przedziałem

PrzykładWyznacz największą i najmniejszą wartość funkcji f(x) = x2 − 6x + 5 w przedziale ⟨−1; 2⟩.
p = 62 = 3
3 ∉ ⟨−1; 2⟩wierzchołek nie należy, nie liczymy f(p)
f(−1) = 1 + 6 + 5 = 12
f(2) = 4 − 12 + 5 = −3
−3−2−1123456−4−224681012f(−1) = 12f(2) = −3W poza przedziałem
Pomarańczowe tło: rozważany przedział. Czerwony: wykres w tym przedziale.

Na całym przedziale funkcja maleje, bo jesteśmy na lewo od wierzchołka przy ramionach w górę. Dlatego obie wartości skrajne są na końcach.

Odpowiedźnajwiększa: 12 (dla x = −1), najmniejsza: −3 (dla x = 2)
Uwaga na częsty błądGdy wierzchołek leży poza przedziałem, jego wartość nie jest odpowiedzią. Tutaj q = f(3) = −4, ale funkcja w przedziale ⟨−1; 2⟩ nigdy nie przyjmuje wartości −4. Zawsze sprawdź krok 2.

Przypadek 3: ramiona w dół

PrzykładWyznacz największą i najmniejszą wartość funkcji f(x) = −x2 + 2x + 3 w przedziale ⟨−2; 2⟩.
p = −2−2 = 1
1 ∈ ⟨−2; 2⟩
f(1) = −1 + 2 + 3 = 4
f(−2) = −4 − 4 + 3 = −5
f(2) = −4 + 4 + 3 = 3
−4−3−2−112345−6−4−224f(−2) = −5f(2) = 3W: f(1) = 4
Pomarańczowe tło: rozważany przedział. Czerwony: wykres w tym przedziale.
Odpowiedźnajwiększa: 4 (dla x = 1), najmniejsza: −5 (dla x = −2)

3A co z przedziałem otwartym?

Przepis działa dla przedziałów domkniętych. Gdy przedział jest otwarty, końce do niego nie należą, więc funkcja może nie mieć wartości największej albo najmniejszej. Na przykład f(x) = x² w przedziale (0; 2) przyjmuje wartości od 0 do 4, ale ani 0, ani 4, bo x = 0 i x = 2 są wykluczone. Nie ma więc ani wartości najmniejszej, ani największej. W zadaniach maturalnych przedziały są zwykle domknięte, ale warto zwracać uwagę na nawiasy.

Wartość największa i najmniejsza funkcji kwadratowej, także w przedziale, oraz zadania optymalizacyjne to w moim kursie „Matematyka od podstaw do matury” część działu o funkcji kwadratowej z siedmioma zestawami zadań maturalnych. Wszystko krok po kroku, z rysunkami.

Zobacz kurs na Udemy

4Zadania optymalizacyjne

W zadaniu optymalizacyjnym trzeba znaleźć sytuację „najlepszą”: największe pole, najmniejszy koszt, największy iloczyn. Bardzo często prowadzi to do funkcji kwadratowej.

Przepis

1. Oznacz literą x jedną z niewiadomych wielkości.

2. Wyraź przez x drugą wielkość, korzystając z warunku z treści.

3. Zapisz funkcję, którą trzeba zoptymalizować, i jej dziedzinę wynikającą z treści.

4. Znajdź wierzchołek i sprawdź, czy p należy do dziedziny.

5. Odpowiedz na pytanie z zadania, bo czasem pyta ono o x, a czasem o wartość funkcji.

PrzykładSuma dwóch liczb wynosi 12. Jakie to liczby, jeśli ich iloczyn jest największy?

Niech jedna liczba to x, wtedy druga to 12 − x. Iloczyn: f(x) = x(12 − x) = −x² + 12x. a = −1 < 0, więc jest wartość największa. p = −12/(−2) = 6. Liczby to 6 i 6, a ich iloczyn 36.

Odpowiedź6 i 6, iloczyn 36
PrzykładRolnik ma 40 m siatki i chce ogrodzić prostokątny wybieg przy ścianie stodoły, więc siatką ogradza tylko trzy boki. Jakie wymiary da największe pole?
xdwa boki prostopadłe do ściany
40 − 2xbok równoległy do ściany
P(x) = x(40 − 2x) = −2x2 + 40xfunkcja pola
x ∈ (0; 20)oba boki muszą być dodatnie
p = −40−4 = 10p należy do dziedziny
P(10) = 10 · 20 = 200
Odpowiedź10 m na 20 m (dłuższy bok wzdłuż ściany), pole 200 m²

Bez ściany, przy czterech bokach z siatki, najlepszy byłby kwadrat. Ze ścianą bok wzdłuż niej wychodzi dwa razy dłuższy od pozostałych.

PrzykładPiłka rzucona do góry znajduje się po t sekundach na wysokości h(t) = −5t2 + 20t + 1 metrów. Na jaką największą wysokość się wzniesie i po jakim czasie?

a = −5 < 0, więc jest wartość największa. p = −20/(−10) = 2, a h(2) = −20 + 40 + 1 = 21. Pytanie dotyczy i wartości, i argumentu: wysokości oraz czasu.

Odpowiedź21 m po 2 sekundach
Na maturze podstawowej

Szukanie wartości największej i najmniejszej funkcji kwadratowej, zwłaszcza w przedziale, to częste zadanie otwarte na maturze podstawowej. Zadania optymalizacyjne z treścią pojawiają się zwykle jako zadanie za kilka punktów pod koniec arkusza: punkty są za ułożenie funkcji, za dziedzinę, za wierzchołek i za odpowiedź na pytanie. Najczęstszy błąd to podanie wartości w wierzchołku, gdy wierzchołek leży poza przedziałem.

Zadanie w stylu maturalnym (zamknięte)Najmniejsza wartość funkcji f(x) = (x − 1)2 − 4 w przedziale ⟨2; 5⟩ jest równa:

A. −4
B. −3
C. 12
D. 0

Rozwiązanie: wierzchołek to (1, −4), ale 1 nie należy do ⟨2; 5⟩. Na prawo od wierzchołka funkcja z ramionami w górę rośnie, więc najmniejsza wartość jest na lewym końcu: f(2) = 1 − 4 = −3. Odpowiedź B. A to wartość w wierzchołku poza przedziałem, a C to wartość największa, f(5) = 12.

Zadanie w stylu maturalnym (otwarte)Obwód prostokąta wynosi 36 cm. Wyznacz długości boków tego prostokąta, dla których jego pole jest największe, i oblicz to pole.
x, 18 − xboki; suma dwóch sąsiednich to połowa obwodu
P(x) = x(18 − x) = −x2 + 18x
x ∈ (0; 18)dziedzina
p = 9 ∈ (0; 18)
P(9) = 9 · 9 = 81

Odpowiedź: kwadrat o boku 9 cm, pole 81 cm². W zadaniu otwartym zapisz dziedzinę funkcji i sprawdź, że p do niej należy, bo za to też są punkty.

5Najczęstsze błędy

Pierwszy błąd to podawanie argumentu p zamiast wartości q, gdy pytanie dotyczy wartości. Drugi to w przedziale podanie wartości w wierzchołku, który do przedziału nie należy. Trzeci to sprawdzenie tylko wierzchołka i pominięcie końców przedziału. Czwarty to pomylenie wartości największej z najmniejszą przy ujemnym a. Piąty to w zadaniach optymalizacyjnych pominięcie dziedziny albo odpowiedź na inne pytanie niż zadane, na przykład podanie pola zamiast wymiarów.

6Sprawdź się

Rozwiąż samodzielnie, a potem kliknij, żeby zobaczyć rozwiązanie.

1. Najmniejsza wartość f(x) = x² + 6x + 4?

p = −3, f(−3) = −5

2. Największa wartość f(x) = −3(x − 2)² + 7?

7, dla x = 2

3. Czy f(x) = x² − 2x ma wartość największą?

nie, a > 0

4. Największa i najmniejsza wartość f(x) = x² − 2x w ⟨0; 4⟩?

p = 1 ∈ przedziału: f(1) = −1, f(0) = 0, f(4) = 8; min −1, max 8

5. Największa i najmniejsza wartość f(x) = x² w ⟨1; 3⟩?

p = 0 poza: f(1) = 1, f(3) = 9; min 1, max 9

6. Różnica dwóch liczb to 10. Najmniejszy iloczyn?

x(x − 10), p = 5: liczby 5 i −5, iloczyn −25

Funkcja kwadratowa i zadania optymalizacyjne krok po kroku

W kursie wideo „Matematyka od podstaw do matury” funkcja kwadratowa jest rozpisana na kolejne lekcje: wszystkie postaci, miejsca zerowe, wierzchołek, wartości w przedziale, nierówności i zadania optymalizacyjne, a na koniec siedem zestawów zadań maturalnych. Oglądasz w swoim tempie i wracasz do lekcji, kiedy potrzebujesz.

Przejdź do kursu na Udemy

Powiązane tematy

Kurs wideo krok po krokuMatematyka od podstaw do matury

Facebook
Pinterest
Twitter
LinkedIn

KURS MATURALNY

Uczysz się do matury z matematyki?

Jeśli ten wpis Ci pomógł, ale masz w głowie:

„okej, ten temat ogarniam… ale co z całą resztą?”

to właśnie po to stworzyłam mój kurs maturalny.

Nie musisz skakać po przypadkowych filmach, wpisach i zadaniach ani zastanawiać się, czego uczyć się najpierw.

W kursie przechodzimy przez wszystko krok po kroku:

Najpierw Narzędziownia – czyli podstawy, na których najczęściej wykładają się zadania: ułamki, potęgi, pierwiastki, procenty, logarytmy i inne rzeczy, które „niby były”, ale jakoś nie chcą zostać w głowie.

Potem zadania maturalne – dział po dziale, dokładnie w takim stylu, jaki spotkasz na maturze.

Na końcu arkusze CKE – żebyś nie tylko znał/a teorię, ale umiał/a faktycznie usiąść do arkusza i liczyć.

Ty liczysz. Ja pilnuję, żeby to miało kolejność. 😎

Schemat jest prosty i brutalnie skuteczny:

zrozumienie → praktyka → powtórka → utrwalenie.

Zaczynasz od zera

3–4 miesiące

Masz już podstawy

4–6 tygodni