M01 · 第 6 章 · 第三编 坐标几何与综合复习

代数、函数与解析几何综合复习

用定义域、等价变形、函数图像和坐标方程串联 M01 的核心方法,并以参数交点与综合题检验计算闭环。

预备知识直线、圆锥曲线与参数方程方程、不等式与绝对值多项式与根函数、复合与图像指数函数与对数函数

本章目标

  1. 在变形前写出定义域,并区分恒等变形、同解变形与需要验根的推导。
  2. 把方程、不等式和参数个数问题翻译成图像交点或符号分区。
  3. 联合使用判别式、标准方程和参数方程求轨迹与交点。
  4. 用代回、端点、定义域和几何意义形成完整的结果检查。
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先确定对象,再选择运算

同一个符号式可能承担三种不同任务。表达式 E(x)E(x) 只给出一个随 xx 变化的量;方程 E(x)=0E(x)=0 要求寻找使等式成立的输入;恒等式 E(x)≡F(x)E(x)\equiv F(x) 则声称两式在共同定义域内处处相等。计算开始前若没有分清对象,约分、平方和开方很容易改变原问题。

本册默认变量取实数。对含分母、偶次根式或对数的式子,先写定义域 DD;方程的解集记为

S={x∈D:E(x)=0}.S=\{x\in D:E(x)=0\}.

随后每一步变形都要回答:它在 DD 上是否双向成立?加减同一项通常保持同解;乘以可能为零的式子会引入额外分支;两边平方只保留原等式推出新等式的方向,所得候选必须代回原式。

等价变形与候选变形

若命题 P(x)P(x) 与 Q(x)Q(x) 对定义域中每个 xx 满足 P(x)⟺Q(x)P(x)\Longleftrightarrow Q(x),则二者等价,变形保持解集。若只能证明 P(x)⟹Q(x)P(x)\Longrightarrow Q(x),新方程的解只构成候选集合;最终解集是候选中通过原式检验的元素。

定义域检查也约束函数化简。式子 (x2−1)/(x−1)(x^2-1)/(x-1) 在 x≠1x\ne1 时等于 x+1x+1,但原函数在 x=1x=1 没有定义。图像是一条删去 (1,2)(1,2) 的直线,而不是完整直线。

解集、符号区间和图像交点是同一信息的三种表示

方程 f(x)=g(x)f(x)=g(x) 的解是函数 y=f(x)y=f(x) 与 y=g(x)y=g(x) 的交点横坐标;不等式 f(x)>g(x)f(x)>g(x) 则寻找前一条图像位于后一条图像上方的区间。令 h(x)=f(x)−g(x)h(x)=f(x)-g(x) 后,问题统一为研究 hh 的零点与符号。

多项式或有理式的符号表以零点和无定义点分区。若

h(x)=C∏i(x−ai)mi∏j(x−bj)nj,h(x)=C\frac{\prod_i(x-a_i)^{m_i}}{\prod_j(x-b_j)^{n_j}},

其中 C≠0C\ne0,则奇数重数的零点或极点会使符号换向,偶数重数不会;不等号是否含等号决定 aia_i 能否纳入解集,bjb_j 永远排除。图像语言给出位置关系,因式语言给出可复核的区间计算,两者应互相校验。

例 1:由定义域、因式和图像共同解有理不等式

求

x2−4x−1≤0.\frac{x^2-4}{x-1}\le0.

定义域排除 x=1x=1。分子分解为 (x−2)(x+2)(x-2)(x+2),临界点依次为 −2,1,2-2,1,2。取测试点或逐因子判断,四个区间上的符号依次为负、正、负、正。因此满足非正的部分是

S=(−∞,−2]∪(1,2].S=(-\infty,-2]\cup(1,2].

−2-2 和 22 使分子为零,可以纳入;11 使原式无定义,不能纳入。几何上,这也是函数 y=(x2−4)/(x−1)y=(x^2-4)/(x-1) 位于横轴下方或落在横轴上的横坐标集合。代入 x=−3,0,3x=-3,0,3 分别得到负、正、正,与符号表一致。

参数把“求一个解”改成“判断解的结构”

含参数的问题往往不要求直接列出单个数值,而要求判断交点数、相切条件或解集随参数怎样改变。二次方程

ax2+bx+c=0,a≠0ax^2+bx+c=0,\qquad a\ne0

的判别式 Δ=b2−4ac\Delta=b^2-4ac 分别对应两个不同实根、一个二重实根和没有实根。图像上,这三种情形就是抛物线与横轴相交、相切和相离。若方程来自直线与圆锥曲线联立,消去一个变量后同样要保留直线参数范围与原曲线定义域。

例 2:直线与抛物线的交点随参数变化

抛物线 y=x2y=x^2 与直线 y=2x+ky=2x+k 的交点满足

x2−2x−k=0.x^2-2x-k=0.

判别式为

Δ=(−2)2−4(1)(−k)=4(1+k).\Delta=(-2)^2-4(1)(-k)=4(1+k).

当 k>−1k>-1 时有两个交点;k=−1k=-1 时只有一个交点,横坐标 x=1x=1,直线 y=2x−1y=2x-1 在 (1,1)(1,1) 处与抛物线相切;k<−1k<-1 时没有实交点。作为几何复核,改写

x2−(2x+k)=(x−1)2−(1+k).x^2-(2x+k)=(x-1)^2-(1+k).

其最小值为 −(1+k)-(1+k),正好给出相同的三类结论。

反函数与对数把尺度变化转成可解方程

指数函数 axa^x 在 a>0a>0 且 a≠1a\ne1 时严格单调,并以 log⁡ax\log_a x 为反函数。因而在合法定义域内,

au(x)=av(x)⟺u(x)=v(x),a^{u(x)}=a^{v(x)}\Longleftrightarrow u(x)=v(x),

而 log⁡au(x)=log⁡av(x)\log_a u(x)=\log_a v(x) 还要求 u(x)>0u(x)>0、v(x)>0v(x)>0。换底公式

log⁡ax=ln⁡xln⁡a\log_a x=\frac{\ln x}{\ln a}

把不同底数统一到自然对数,但不能消除真数为正的条件。对含多个指数尺度的方程,代换 t=ax>0t=a^x>0 常把问题化为多项式,再把求出的正根还原为 xx。

例 3:指数代换后的根必须满足正值约束

求方程

32x−10⋅3x+9=0.3^{2x}-10\cdot3^x+9=0.

令 t=3xt=3^x,则 t>0t>0 且 32x=t23^{2x}=t^2。方程变为

t2−10t+9=(t−1)(t−9)=0.t^2-10t+9=(t-1)(t-9)=0.

两个根 t=1,9t=1,9 均满足正值约束,于是 3x=13^x=1 给出 x=0x=0,3x=93^x=9 给出 x=2x=2。代回原式分别得到 1−10+9=01-10+9=0 与 81−90+9=081-90+9=0。若代换方程产生非正根,它不能对应任何实数 xx。

参数方程保留运动方向和取值范围

参数方程

x=x(t),y=y(t),t∈Ix=x(t),\qquad y=y(t),\qquad t\in I

描述参数 tt 变化时点的位置。消去 tt 得到的笛卡尔方程可能扩大轨迹,因为消元结果常丢失参数区间和运动方向。例如 x=t2,y=tx=t^2,y=t 满足 x=y2x=y^2;若 t≥0t\ge0,实际轨迹只含抛物线的上半支 y≥0y\ge0。因此消元后要把参数范围翻译成坐标限制,并用若干参数值检查起点、方向和端点。

圆的参数式 x=h+rcos⁡t,y=k+rsin⁡tx=h+r\cos t, y=k+r\sin t 自动满足 (x−h)2+(y−k)2=r2(x-h)^2+(y-k)^2=r^2。当 tt 遍历长度为 2π2\pi 的区间时轨迹覆盖一周;缩短区间只得到圆弧。参数式与隐式方程表达同一曲线时,各自保留的信息并不完全相同。

绘图软件给出的交点近似不等于完整解集

有限视窗可能漏掉远处交点,也可能把相切误画成相离。代数判别式、单调性或符号表负责证明交点数,数值图像负责检查位置和尺度;近似坐标还需代回原式评估残差。

消去参数后不能自动丢弃参数范围

消元得到的方程通常只给出轨迹所在的曲线。原参数区间可能只覆盖一部分曲线或多次覆盖同一部分,必须另写坐标限制和遍历方向。

一份完整解答要经受四类复核

定义域复核检查候选是否属于原问题:分母不为零、偶次根式的被开方数非负、对数真数为正。变形复核逐行判断箭头能否反向;若某一步只保留单向推出关系,结尾必须回到原式验根。数值复核选取解集内部、外部和端点附近的代表值,检查等式残差或不等式符号。几何复核则比较零点、交点数、对称性、范围和渐近行为是否与代数结论一致。

四类复核的职责不同。代回一个数值只能确认该候选,不会证明解集没有遗漏;绘图显示两处交点也不能排除视窗外的第三处交点;判别式只回答二次方程的根数,不能替代原问题的定义域。可靠解答应把证明解集完备的依据与检查计算无误的证据分开写明。

参数问题还应检查临界参数。若结论在 k>k0k>k_0、k=k0k=k_0、k<k0k<k_0 三段变化,分别取一个内部值复算,并单独处理 k0k_0。临界点通常对应重根、相切、分母变零或单调性改变,恰是直接套公式最容易漏掉的情形。

综合练习与复核

练习

解 x+1=x−1\sqrt{x+1}=x-1,并说明为何平方后必须验根。

查看解答

原式要求 x≥−1x\ge-1 且右边 x−1≥0x-1\ge0,所以 x≥1x\ge1。平方得 x+1=(x−1)2x+1=(x-1)^2,即 x2−3x=0x^2-3x=0,候选为 0,30,3。只有 33 满足 x≥1x\ge1,代回得 2=22=2,故 S={3}S=\{3\}。候选 00 来自平方丢失了两边同号条件。

练习

求函数 r(x)=(x−2)/(x+1)r(x)=(x-2)/(x+1) 的零点、定义域和值域,并写出反函数。

查看解答

定义域为 R∖{−1}\mathbb R\setminus\{-1\},零点为 22。令 y=(x−2)/(x+1)y=(x-2)/(x+1),得 x=(y+2)/(1−y)x=(y+2)/(1-y),所以 y≠1y\ne1,值域为 R∖{1}\mathbb R\setminus\{1\}。反函数是 r−1(y)=(y+2)/(1−y)r^{-1}(y)=(y+2)/(1-y),定义域 y≠1y\ne1。复合代回恢复原输入,并保留 x≠−1x\ne-1。

练习

解 log⁡3(x+1)−log⁡3(x−2)=1\log_3(x+1)-\log_3(x-2)=1。

查看解答

定义域要求 x>2x>2。对数差公式给出

log⁡3x+1x−2=1,\log_3\frac{x+1}{x-2}=1,

所以 (x+1)/(x−2)=3(x+1)/(x-2)=3,即 x+1=3x−6x+1=3x-6,得到 x=7/2x=7/2。它满足定义域;代回后真数之比为 (9/2)/(3/2)=3(9/2)/(3/2)=3,故对数差确为一。

练习

求经过点 (0,−3)(0,-3) 且与圆 x2+y2=5x^2+y^2=5 相切的直线斜率。

查看解答

非竖直直线写为 y=mx−3y=mx-3。代入圆得 (1+m2)x2−6mx+4=0(1+m^2)x^2-6mx+4=0。相切要求判别式为零:36m2−16(1+m2)=036m^2-16(1+m^2)=0,所以 20m2=1620m^2=16,m=±2/5m=\pm2/\sqrt5。点到直线 mx−y−3=0mx-y-3=0 的距离为 3/m2+1=53/\sqrt{m^2+1}=\sqrt5,也验证了相切条件。竖直线 x=0x=0 经过给定点但穿过圆,故不是遗漏的切线。

练习

轨迹采用参数式 x=1+t2,y=2tx=1+t^2, y=2t,且 −1≤t≤2-1\le t\le2。消去参数,写出坐标限制、起点、终点和遍历方向。

查看解答

t=y/2t=y/2,所以 x=1+y2/4x=1+y^2/4。参数范围给出 −2≤y≤4-2\le y\le4,因此轨迹只是右开抛物线在该纵坐标范围内的一段。t=−1t=-1 时起点为 (2,−2)(2,-2),t=2t=2 时终点为 (5,4)(5,4);随 tt 增大,yy 单调增加,轨迹先到顶点 (1,0)(1,0),再向右上方移动。

练习

给出一个反例说明:两个函数具有相同值域,并不能推出它们相等。

查看解答

取定义域和陪域都为 R\mathbb R,令 f(x)=xf(x)=x、g(x)=−xg(x)=-x。二者值域均为 R\mathbb R,但 f(1)=1f(1)=1、g(1)=−1g(1)=-1,所以函数不相等。函数相等还要求对每个相同输入给出相同输出。

参考路径与微积分入口

书籍 · 2021

Precalculus 2e

Jay Abramson

用于核对 M01 的定义域、函数变换、方程求解、圆锥曲线与分步练习。

打开官方来源

OpenStax《Precalculus 2e》覆盖函数、多项式、有理式、指数对数与解析几何,可按本册顺序选取相应单元复核概念和分步例题。

书籍 · 2021

Algebra and Trigonometry 2e

Jay Abramson

用于逐项复核 M01 的代数规则、图像性质、参数问题与完整例题。

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OpenStax《Algebra and Trigonometry 2e》把方程与不等式、代数函数、指数对数函数和解析几何组织为连续课程;其章节复习题适合检验跨单元迁移。本站练习采用独立数据并给出完整演算,答案应先自行复算再与解答比较。

M01 的共同方法是维护问题的合法输入集合,并让代数式、函数图像与坐标曲线互相校验。进入 极限与连续 后,函数在单点附近的变化将取代整式因式分解成为主要对象;定义域、复合、反函数、图像和参数表示仍继续使用。