Trong khoảng những năm 1602–1604, ở Padova (Ý), Galileo Galilei cho các viên bi lăn trên máng nghiêng để làm chậm chuyển động rơi, nhờ đó đo được nó. Ông tìm ra một quy luật bất ngờ: quãng đường đi được không tỉ lệ với thời gian, mà tỉ lệ với bình phương của thời gian (theo MacTutor, Đại học St Andrews). Ở môn Vật lí lớp 10, quy luật rơi tự do được viết là s=21gt2 với g≈9,8 m/s²; lấy tròn g≈10 ta được s≈5t2 (mét).
Giả sử bạn thả một viên bi từ sân thượng của một toà nhà cao 45 m (khoảng 15 tầng) và bỏ qua sức cản của không khí. Sau bao lâu thì viên bi chạm đất? Và vì sao giây thứ ba viên bi rơi được nhiều hơn hẳn giây thứ nhất?
Hàm số y=ax2 (a=0)
Khám phá: quãng đường rơi theo thời gian
Ta tính s=5t2 tại vài thời điểm:
t (giây)
0
1
2
3
s (mét)
0
5
20
45
Thời gian tăng gấp đôi (từ 1 lên 2 giây) thì quãng đường tăng gấp bốn (từ 5 lên 20 m); thời gian gấp ba thì quãng đường gấp chín. Trong từng giây, viên bi rơi được 5 m, rồi 15 m, rồi 25 m: nó rơi ngày càng nhanh. Mỗi giá trị của t cho đúng một giá trị của s, nên s là một hàm số của t.
Hiểu sâu hơn. Với hàm số bậc nhất y=ax (lớp 8), x gấp đôi thì y gấp đôi. Với y=ax2, x gấp k lần thì y gấp k2 lần, vì a(kx)2=k2⋅ax2. Đó là lí do diện tích hình vuông cạnh x là S=x2 (a=1) và diện tích hình tròn bán kính R là S=πR2 (a=π): phóng to hình gấp đôi thì diện tích gấp bốn.
Những hàm số như y=x2+1 hay y=(x−1)2không có dạng y=ax2: đồ thị của chúng không đi qua gốc O (với y=x2+1) hoặc không nhận Oy làm trục đối xứng (với y=(x−1)2). Ở lớp 10, bạn sẽ học các hàm số bậc hai tổng quát như vậy.
Đồ thị của hàm số y=ax2
Khám phá: hai hàm số y=x2 và y=−x2
x
−2
−1
0
1
2
y=x2
4
1
0
1
4
y=−x2
−4
−1
0
−1
−4
Hai giá trị đối nhau của x cho cùng một giá trị của y, vì (−x)2=x2. Biểu diễn các điểm (x;y) trên mặt phẳng toạ độ rồi nối bằng một đường cong trơn, ta được hình dưới đây.
Đồ thị của y=x2 và y=−x2
Vì sao đối xứng qua Oy? Nếu điểm (x0;y0) thuộc đồ thị thì y0=ax02=a(−x0)2, nên điểm (−x0;y0) cũng thuộc đồ thị. Hai điểm này đối xứng với nhau qua Oy. Ngoài ra x2≥0, nên y=ax2 cùng dấu với a khi x=0.
Đồ thị của hàm số y=21x2
Điểm thuộc đồ thị và bài toán thực tế
Điểm M(x0;y0) thuộc đồ thị của hàm số y=ax2 khi và chỉ khi y0=ax02. Nhờ đó, biết một điểm của đồ thị ta tìm được hệ số a.
Ngược lại, biết tung độ, ta tìm hoành độ bằng cách giải ax2=y0. Do tính đối xứng, thường có hai giá trị đối nhau của x.
Kết nối. Bài này dựa trên hàm số, đồ thị (lớp 8) và căn bậc hai. Giải ax2=k là trường hợp đơn giản nhất của phương trình bậc hai một ẩn. Parabol còn là quỹ đạo của quả bóng được ném xiên (khi bỏ qua sức cản không khí) và là đồ thị của hàm số bậc hai lớp 10.
Thuật ngữ
Tóm tắt
Hàm số y=ax2 (a=0) xác định với mọi x∈R; x và −x cho cùng một giá trị y.
Đồ thị là parabol đỉnh O, trục đối xứng Oy.
a>0: đồ thị ở phía trên trục hoành, O thấp nhất; a<0: đồ thị ở phía dưới trục hoành, O cao nhất.
M(x0;y0) thuộc đồ thị ⇔y0=ax02; dùng điều này để tìm a hoặc tìm điểm.
Vẽ đồ thị: lập bảng giá trị với các cặp x đối nhau, nối bằng đường cong trơn.
Luyện tập
Mỗi bài có phần kiến thức và gợi ý các bước. Hãy tự làm trước, rồi mới bấm xem lời giải.
Bài 1
Cho hàm số y=3x2. Tính giá trị của y khi x=−2; x=0; x=31; x=3.
Kiến thức và gợi ý cách làm
Kiến thức: thay giá trị của x vào công thức, bình phương trước rồi nhân với 3.
Gợi ý các bước:
Tính x2 cho từng giá trị.
Nhân kết quả với 3.
Xem lời giải
Ta có 3⋅(−2)2=12; 3⋅02=0; 3⋅(31)2=31; 3⋅(3)2=9.
Vậy các giá trị của y lần lượt là 12; 0; 31; 9.
Đáp số.12; 0; 31; 9.
Bài 2
Lập bảng giá trị và vẽ đồ thị của hàm số y=−21x2 với x∈{−4;−2;0;2;4}. Nêu nhận xét về vị trí của đồ thị.
Kiến thức và gợi ý cách làm
Kiến thức:a<0 thì parabol nằm phía dưới trục hoành, O là điểm cao nhất.
Gợi ý các bước:
Tính y tại các giá trị của x.
Biểu diễn các điểm và nối bằng đường cong trơn.
Xem lời giải
Ta có bảng giá trị:
x
−4
−2
0
2
4
y
−8
−2
0
−2
−8
Vậy đồ thị là parabol đỉnh O đi qua các điểm trên, nằm phía dưới trục hoành và nhận Oy làm trục đối xứng; O là điểm cao nhất.
Đáp số. Parabol đỉnh O qua các điểm trong bảng, nằm phía dưới trục hoành.
Bài 3
Trong các điểm A(1;2), B(−2;8), C(3;18), D(−1;−2), điểm nào thuộc đồ thị của hàm số y=2x2?
Kiến thức và gợi ý cách làm
Kiến thức:M(x0;y0) thuộc đồ thị khi và chỉ khi y0=2x02.
Gợi ý các bước:
Tính 2x02 cho từng điểm và so sánh với y0.
Xem lời giải
Ta có 2⋅12=2; 2⋅(−2)2=8; 2⋅32=18; 2⋅(−1)2=2=−2.
Vậy các điểm A, B, C thuộc đồ thị, điểm D không thuộc đồ thị.
Đáp số.A, B, C.
Bài 4
Cho hàm số y=ax2 có đồ thị đi qua điểm M(−3;6).
a) Tìm a.
b) Tìm các điểm thuộc đồ thị có tung độ bằng 24.
Kiến thức và gợi ý cách làm
Kiến thức: thay toạ độ điểm vào y=ax2; phương trình x2=k (k>0) có hai nghiệm ±k.
Gợi ý các bước:
Giải 9a=6.
Giải ax2=24.
Xem lời giải
a) Thay x=−3, y=6, ta được 9a=6, suy ra a=32.
b) Ta có 32x2=24⇔x2=36⇔x=6 hoặc x=−6.
Vậy a=32; các điểm cần tìm là (6;24) và (−6;24).
Đáp số. a) a=32; b) (6;24), (−6;24).
Bài 5
Một vật được thả rơi từ độ cao 125 m. Quãng đường vật rơi được sau t giây là s=5t2 (m).
a) Sau 3 giây, vật còn cách mặt đất bao nhiêu mét?
b) Sau bao lâu vật chạm đất?
Kiến thức và gợi ý cách làm
Kiến thức: khoảng cách tới mặt đất bằng 125−s; vật chạm đất khi s=125.
Gợi ý các bước:
Tính s khi t=3.
Giải 5t2=125 với t>0.
Xem lời giải
a) Khi t=3, ta có s=5⋅32=45 (m). Do đó vật còn cách mặt đất 125−45=80 (m).
b) Ta có 5t2=125⇔t2=25. Vì t>0 nên t=5.
Vậy sau 3 giây vật còn cách mặt đất 80 m; vật chạm đất sau 5 giây.
Đáp số. a) 80 m; b) 5 giây.
Bài 6
Trong môn Khoa học tự nhiên 9 (bài Động năng. Thế năng), động năng của vật có khối lượng m (kg) chuyển động với vận tốc v (m/s) là W=21mv2 (J). Giả sử một quả bóng có khối lượng 0,4 kg, khi đó W=0,2v2.
a) Tính động năng của quả bóng khi v=10 m/s.
b) Quả bóng có động năng 45 J thì vận tốc của nó bằng bao nhiêu?
Kiến thức và gợi ý cách làm
Kiến thức:W=0,2v2 là hàm số dạng y=ax2 với a=0,2; vận tốc v>0.
Gợi ý các bước:
Thay v=10.
Giải 0,2v2=45.
Xem lời giải
a) Ta có W=0,2⋅102=20 (J).
b) Ta có 0,2v2=45⇔v2=225. Vì v>0 nên v=15.
Vậy động năng là 20 J; vận tốc cần tìm là 15 m/s.
Nhận xét. Vận tốc gấp 1,5 lần thì động năng gấp 1,52=2,25 lần; xe chạy nhanh gấp đôi thì động năng gấp bốn.
b) (P) là parabol y=21x2 đã vẽ ở ví dụ "Vẽ đồ thị".
c) Điểm cần tìm có dạng (x;2x). Thay vào (P), ta có
21x2=2x⇔x2−4x=0⇔x(x−4)=0⇔x=0 hoặc x=4.
Vậy a=21 và các điểm cần tìm là (0;0), (4;8).
Đáp số. a) a=21; c) (0;0) và (4;8).
Bài 9 Thử thách
Giả sử một cổng chào có dạng parabol. Chân cổng rộng 8 m, đỉnh cổng cao 6 m so với mặt đất. Chọn hệ trục toạ độ có gốc O tại đỉnh cổng, trục Oy hướng lên trên, khi đó cổng là một phần của đồ thị y=ax2. Một xe tải rộng 3 m, cao 5 m đi chính giữa cổng. Hỏi xe có đi qua cổng được không?
Kiến thức và gợi ý cách làm
Kiến thức: hai chân cổng là các điểm (−4;−6) và (4;−6).
Gợi ý các bước:
Tìm a từ điểm (4;−6).
Thành xe cách trục giữa 1,5 m: tính y tại x=1,5.
Chiều cao của cổng tại đó bằng 6+y; so sánh với 5.
Xem lời giải
Chân cổng (4;−6) thuộc đồ thị nên 16a=−6, suy ra a=−83.
Tại x=1,5, ta có y=−83⋅1,52=−3227≈−0,84. Do đó chiều cao của cổng tại vị trí thành xe là 6−0,84375=5,15625 (m) >5 m.
Vậy xe tải đi qua cổng được.
Đáp số. Đi qua được (cổng cao khoảng 5,16 m tại vị trí thành xe).
Kiểm tra mini
Kiểm tra mini
Chấm như đề thi tốt nghiệp THPT: Phần I mỗi câu 0,25 điểm; Phần II mỗi câu tối đa 1 điểm (đúng 1, 2, 3, 4 ý được 0,1; 0,25; 0,5; 1 điểm); Phần III mỗi câu 0,5 điểm.
Phần I. Trắc nghiệm nhiều phương án lựa chọn
Câu 1. Hàm số nào sau đây có dạng y=ax2 với a=0?
Đáp án: B.
a=−21=0. A là hàm số bậc nhất, C có thêm số hạng 2, D có a=0.
Câu 2. Cho hàm số y=−2x2. Giá trị của y khi x=−3 là
Đáp án: B.
y=−2⋅9=−18. A sai dấu, C bình phương cả −2, D quên bình phương.
Câu 3. Đồ thị của hàm số y=ax2 đi qua điểm (−2;8). Giá trị của a là
Đáp án: A.
4a=8 nên a=2. B coi (−2)2=−4, C lấy 8:2, D lấy 8:(−2).
Câu 4. Điểm nào sau đây không thuộc đồ thị của hàm số y=−x2?
Đáp án: C.
Tại x=3, y=−9=9.
Phần II. Trắc nghiệm đúng sai
Câu 1. Cho hàm số y=31x2 có đồ thị (P). Xét tính đúng sai của các mệnh đề sau:
a)O(0;0) là điểm thấp nhất của (P).
b)(P) đi qua điểm (3;3).
c)(P) đi qua điểm (−3;−3).
d) Các điểm thuộc (P) có tung độ bằng 12 có hoành độ là 6 và −6.
Đáp án: a) Đúng; b) Đúng; c) Sai; d) Đúng.
a) Đúng: a>0. b) Đúng: 31⋅9=3. c) Sai: tại x=−3, y=3. d) Đúng: x2=36.
Phần III. Trắc nghiệm trả lời ngắn
Câu 1. Một vật rơi từ độ cao 80 m, quãng đường rơi sau t giây là s=5t2 (m). Sau bao nhiêu giây thì vật chạm đất?
Đáp án: 4.
5t2=80⇔t2=16, mà t>0 nên t=4.
Câu 2. Đồ thị của hàm số y=ax2 đi qua điểm A(4;4). Tính a (viết kết quả dưới dạng số thập phân).
Đáp án: 0,25.
16a=4 nên a=0,25.
Xem đáp án và giải thích
Phần I, câu 1: B. a=−21=0. A là hàm số bậc nhất, C có thêm số hạng 2, D có a=0.
Phần I, câu 2: B. y=−2⋅9=−18. A sai dấu, C bình phương cả −2, D quên bình phương.
Phần I, câu 3: A. 4a=8 nên a=2. B coi (−2)2=−4, C lấy 8:2, D lấy 8:(−2).
Phần I, câu 4: C. Tại x=3, y=−9=9.
Phần II, câu 1: a) Đúng; b) Đúng; c) Sai; d) Đúng. a) Đúng: a>0. b) Đúng: 31⋅9=3. c) Sai: tại x=−3, y=3. d) Đúng: x2=36.
Phần III, câu 1: 4. 5t2=80⇔t2=16, mà t>0 nên t=4.
Phần III, câu 2: 0,25. 16a=4 nên a=0,25.
Lời giải và đáp án
Hãy tự làm từng bài trước, rồi mới đối chiếu ở đây.
Bài 1.
Ta có 3⋅(−2)2=12; 3⋅02=0; 3⋅(31)2=31; 3⋅(3)2=9.
Vậy các giá trị của y lần lượt là 12; 0; 31; 9.
Đáp số.12; 0; 31; 9.
Bài 2.
Ta có bảng giá trị:
x
−4
−2
0
2
4
y
−8
−2
0
−2
−8
Vậy đồ thị là parabol đỉnh O đi qua các điểm trên, nằm phía dưới trục hoành và nhận Oy làm trục đối xứng; O là điểm cao nhất.
Đáp số. Parabol đỉnh O qua các điểm trong bảng, nằm phía dưới trục hoành.
Bài 3.
Ta có 2⋅12=2; 2⋅(−2)2=8; 2⋅32=18; 2⋅(−1)2=2=−2.
Vậy các điểm A, B, C thuộc đồ thị, điểm D không thuộc đồ thị.
Đáp số.A, B, C.
Bài 4.
a) Thay x=−3, y=6, ta được 9a=6, suy ra a=32.
b) Ta có 32x2=24⇔x2=36⇔x=6 hoặc x=−6.
Vậy a=32; các điểm cần tìm là (6;24) và (−6;24).
Đáp số. a) a=32; b) (6;24), (−6;24).
Bài 5.
a) Khi t=3, ta có s=5⋅32=45 (m). Do đó vật còn cách mặt đất 125−45=80 (m).
b) Ta có 5t2=125⇔t2=25. Vì t>0 nên t=5.
Vậy sau 3 giây vật còn cách mặt đất 80 m; vật chạm đất sau 5 giây.
Đáp số. a) 80 m; b) 5 giây.
Bài 6.
a) Ta có W=0,2⋅102=20 (J).
b) Ta có 0,2v2=45⇔v2=225. Vì v>0 nên v=15.
Vậy động năng là 20 J; vận tốc cần tìm là 15 m/s.
Nhận xét. Vận tốc gấp 1,5 lần thì động năng gấp 1,52=2,25 lần; xe chạy nhanh gấp đôi thì động năng gấp bốn.
Đáp số. a) 20 J; b) 15 m/s.
Bài 7.
a) Ta có 3x2=6⇔x2=2⇔x=2 hoặc x=−2.
b) Ta có (1−2)2=1−22+2=3−22, nên y=3(3−22)=9−62.
Vậy a) x=±2; b) y=9−62.
Đáp số. a) x=2, x=−2; b) 9−62.
Bài 8.
a) Thay x=2, y=2, ta được 4a=2, suy ra a=21.
b) (P) là parabol y=21x2 đã vẽ ở ví dụ "Vẽ đồ thị".
c) Điểm cần tìm có dạng (x;2x). Thay vào (P), ta có
21x2=2x⇔x2−4x=0⇔x(x−4)=0⇔x=0 hoặc x=4.
Vậy a=21 và các điểm cần tìm là (0;0), (4;8).
Đáp số. a) a=21; c) (0;0) và (4;8).
Bài 9.
Chân cổng (4;−6) thuộc đồ thị nên 16a=−6, suy ra a=−83.
Tại x=1,5, ta có y=−83⋅1,52=−3227≈−0,84. Do đó chiều cao của cổng tại vị trí thành xe là 6−0,84375=5,15625 (m) >5 m.
Vậy xe tải đi qua cổng được.
Đáp số. Đi qua được (cổng cao khoảng 5,16 m tại vị trí thành xe).
Kiểm tra mini: đáp án
Phần I, câu 1: B. a=−21=0. A là hàm số bậc nhất, C có thêm số hạng 2, D có a=0.
Phần I, câu 2: B. y=−2⋅9=−18. A sai dấu, C bình phương cả −2, D quên bình phương.
Phần I, câu 3: A. 4a=8 nên a=2. B coi (−2)2=−4, C lấy 8:2, D lấy 8:(−2).
Phần I, câu 4: C. Tại x=3, y=−9=9.
Phần II, câu 1: a) Đúng; b) Đúng; c) Sai; d) Đúng. a) Đúng: a>0. b) Đúng: 31⋅9=3. c) Sai: tại x=−3, y=3. d) Đúng: x2=36.