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已知两点切线斜率及坐标条件,如何求解对应二次函数?

求解满足特定切线斜率条件的二次函数

这题用导数结合二次函数的性质就能搞定,一步步来拆解:

先明确基础关系

设咱们要找的二次函数为:
$$y = ax^2 + bx + c$$
二次函数的导数就是任意点处的切线斜率,导数公式很简单:
$$y' = 2ax + b$$
注意题目里给的是切线与x轴的夹角,所以斜率得转换成正切值(斜率 $k = \tan\theta$,$\theta$ 就是题目里的角度)。

把已知条件转成方程

根据题目里的两个条件,咱们可以列出三个方程:

  1. 当 $x=50$ 时,切线斜率对应30°,代入导数公式:
    $$2a \times 50 + b = \tan(30°)$$
    简化后就是:
    $$100a + b = \tan30°$$
  2. 对于纵坐标为80的点(咱们设这个点的横坐标为 $x_2$),有两个约束:
    • 这个点肯定在二次函数上,所以:
      $$ax_2^2 + bx_2 + c = 80$$
    • 该点的切线斜率对应40°,代入导数公式:
      $$2ax_2 + b = \tan(40°)$$

求解方程(参数化解法)

现在咱们有3个方程,但未知数是 $a, b, c, x_2$ 一共4个,所以没法得到唯一的固定解,只能得到以 $x_2$ 为参数的一族二次函数,具体推导步骤如下:

  • 先从第一个导数方程解出 $b$:
    $$b = \tan30° - 100a$$
  • 把 $b$ 代入第二个导数方程,整理后就能得到 $a$ 的表达式:
    $$2ax_2 + \tan30° - 100a = \tan40°$$
    $$a(2x_2 - 100) = \tan40° - \tan30°$$
    $$a = \frac{\tan40° - \tan30°}{2(x_2 - 50)}$$
  • 把求出的 $a$ 代回 $b$ 的表达式,就能得到 $b$ 关于 $x_2$ 的式子;再把 $a$ 和 $b$ 代入二次函数的点方程,就能解出 $c$ 关于 $x_2$ 的表达式。

只要 $x_2 \neq 50$(保证分母不为0),随便选一个合法的 $x_2$ 代入,都能得到一个满足题目要求的二次函数。


内容的提问来源于stack exchange,提问作者Susan T. Erickson

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