Bài 18: Hàm số y = ax² (a ≠ 0)
Bài 18: Hàm số y = ax² (a ≠ 0)
Khái niệm hàm số bậc hai y = ax² (a ≠ 0), bảng giá trị và tập xác định. Đồ thị hàm số y = ax² là một đường parabol có đỉnh là gốc toạ độ O, nhận trục Oy làm trục đối xứng. Tính chất bề lõm khi a > 0 và a < 0. Ứng dụng giải quyết các bài toán thực tiễn: cáp cầu treo võng, cổng vòm kiến trúc, rơi tự do và các hình khối học.
Chương VI: Bài 18 - Hàm số y = ax² (a ≠ 0)
1. Hàm số y = ax² (a ≠ 0)
• Xác định với mọi giá trị $x \in \mathbb{R}$.
• Mô tả các đại lượng trong tự nhiên: quãng đường rơi tự do $s = 4{,}9t^2$, diện tích hình tròn $S = \pi r^2$, diện tích toàn phần hình lập phương $S = 6a^2$.
2. Đồ thị Parabol
• Đồ thị là một đường cong gọi là parabol có đỉnh là gốc toạ độ $O(0; 0)$.
• Nhận trục tung $Oy$ làm trục đối xứng: nếu điểm $(x_0; y_0)$ thuộc parabol thì $(-x_0; y_0)$ cũng thuộc parabol.
• Nếu $a > 0$: parabol nằm phía trên trục hoành, $O$ là điểm thấp nhất.
• Nếu $a < 0$: parabol nằm phía dưới trục hoành, $O$ là điểm cao nhất.
Một cây cầu treo có trụ tháp đôi cao $75\text{ m}$ so với mặt của cây cầu và cách nhau $400\text{ m}$. Các dây cáp có dạng đồ thị của hàm số $y = ax^2$ ($a \ne 0$) như Hình 6.1 và được treo trên các đỉnh tháp. Tìm chiều cao $CH$ của dây cáp biết điểm $H$ cách tâm $O$ của cây cầu $100\text{ m}$ (giả sử mặt của cây cầu là bằng phẳng).
Xem lời giải tình huống mở đầu
Chọn hệ trục toạ độ $Oxy$ như Hình 6.1, với gốc $O$ là điểm thấp nhất của dây cáp (tâm mặt cầu), trục hoành $Ox$ nằm trên mặt cầu.
Khoảng cách giữa hai trụ tháp là $400\text{ m}$, do tính đối xứng nên hoành độ của đỉnh tháp $B$ là $x = \dfrac{400}{2} = 200\text{ m}$. Chiều cao trụ tháp là $75\text{ m}$, do đó điểm $B$ có toạ độ $(200; 75)$.
Vì điểm $B(200; 75)$ thuộc đồ thị $y = ax^2$ nên:
$$75 = a \cdot 200^2 \implies a = \dfrac{75}{40000} = \dfrac{3}{1600}.$$Phương trình parabol của dây cáp là: $y = \dfrac{3}{1600}x^2$.
Điểm $H$ cách tâm $O$ một khoảng $100\text{ m} \implies x_H = 100\text{ m}$. Chiều cao dây cáp tại $C$ là tung độ $y_C$:
$$y_C = \dfrac{3}{1600} \cdot 100^2 = \dfrac{30000}{1600} = 18{,}75\text{ (m)}.$$Vậy chiều cao $CH$ của dây cáp tại điểm cách tâm $100\text{ m}$ là $18{,}75\text{ m}$.
Nhận biết hàm số y = ax² (a ≠ 0)
Khi thả một vật rơi tự do và bỏ qua sức cản của không khí, quãng đường chuyển động $s$ (mét) của vật được cho bởi công thức $s = 4{,}9t^2$, trong đó $t$ (giây) là thời gian chuyển động.
a) Hoàn thành bảng giá trị ứng với $t = 0; 1; 2$.
b) Giả sử một vật rơi tự do từ độ cao $19{,}6\text{ m}$ so với mặt đất. Hỏi sau bao lâu vật chạm đất?
Xem lời giải HĐ1
a) Thay các giá trị của $t$ vào công thức $s = 4{,}9t^2$:
- $t = 0 \implies s = 4{,}9 \cdot 0^2 = 0\text{ (m)}$.
- $t = 1 \implies s = 4{,}9 \cdot 1^2 = 4{,}9\text{ (m)}$.
- $t = 2 \implies s = 4{,}9 \cdot 2^2 = 19{,}6\text{ (m)}$.
b) Vật rơi từ độ cao $19{,}6\text{ m}$ chạm đất khi $s = 19{,}6\text{ m}$:
$$4{,}9t^2 = 19{,}6 \iff t^2 = \dfrac{19{,}6}{4{,}9} = 4 \implies t = 2\text{ (giây) (do } t > 0\text{)}.$$Vậy sau 2 giây thì vật chạm đất.
a) Viết công thức tính diện tích $S$ của hình tròn bán kính $r$.
b) Hoàn thành bảng giá trị của $S$ khi $r = 1; 2; 3; 4\text{ cm}$ (lấy $\pi \approx 3{,}14$ và làm tròn đến chữ số thập phân thứ hai).
Xem lời giải HĐ2
a) Công thức tính diện tích hình tròn bán kính $r$ là: $S = \pi r^2$.
b) Bảng giá trị:
- $r = 1 \implies S = 3{,}14 \cdot 1^2 = 3{,}14\text{ (cm}^2\text{)}$.
- $r = 2 \implies S = 3{,}14 \cdot 2^2 = 12{,}56\text{ (cm}^2\text{)}$.
- $r = 3 \implies S = 3{,}14 \cdot 3^2 = 28{,}26\text{ (cm}^2\text{)}$.
- $r = 4 \implies S = 3{,}14 \cdot 4^2 = 50{,}24\text{ (cm}^2\text{)}$.
Định nghĩa và Tập xác định
Hàm số có dạng $y = ax^2$ với $a \ne 0$ gọi là hàm số bậc hai một ẩn dạng đơn giản.
Nhận xét: Hàm số $y = ax^2$ ($a \ne 0$) xác định với mọi giá trị $x \in \mathbb{R}$.
Lập bảng giá trị của hàm số $y = \dfrac{3}{2}x^2$ và $y = -\dfrac{3}{2}x^2$ với $x \in \{-3; -2; -1; 0; 1; 2; 3\}$.
Xem lời giải chi tiết
• Đối với hàm số $y = \dfrac{3}{2}x^2$:
Giá trị tương ứng: $x = 0 \to y = 0$; $x = \pm 1 \to y = \dfrac{3}{2}$; $x = \pm 2 \to y = 6$; $x = \pm 3 \to y = \dfrac{27}{2}$.
• Đối với hàm số $y = -\dfrac{3}{2}x^2$:
Giá trị tương ứng: $x = 0 \to y = 0$; $x = \pm 1 \to y = -\dfrac{3}{2}$; $x = \pm 2 \to y = -6$; $x = \pm 3 \to y = -\dfrac{27}{2}$.
Nhận xét: Vì $(-x)^2 = x^2$ nên hai giá trị đối nhau của $x$ cho cùng một giá trị $y$.
Cho hình chóp tứ giác đều có đáy là hình vuông cạnh $a\text{ (cm)}$ và chiều cao $15\text{ cm}$.
a) Viết công thức tính thể tích $V$ của hình chóp theo $a$ và tính giá trị của $V$ khi $a = 5\text{ cm}$.
b) Nếu độ dài cạnh đáy tăng lên hai lần thì thể tích của hình chóp thay đổi thế nào?
Xem lời giải Vận dụng 1
a) Thể tích hình chóp tứ giác đều là: $V = \dfrac{1}{3} S_{\text{đáy}} \cdot h = \dfrac{1}{3} a^2 \cdot 15 = 5a^2\text{ (cm}^3\text{)}$.
Khi $a = 5\text{ cm} \implies V = 5 \cdot 5^2 = 125\text{ (cm}^3\text{)}$.
b) Khi cạnh đáy tăng lên 2 lần ($a' = 2a$), thể tích mới là:
$$V' = 5(2a)^2 = 5 \cdot 4a^2 = 4 \cdot (5a^2) = 4V.$$Vậy khi cạnh đáy tăng 2 lần thì thể tích hình chóp tăng 4 lần.
Đồ thị của hàm số y = ax² (a ≠ 0)
Cách vẽ đồ thị hàm số $y = ax^2$ ($a \ne 0$):
- Bước 1: Lập bảng giá trị của hàm số với tối thiểu 5 điểm (gồm gốc toạ độ $O(0; 0)$ và hai cặp giá trị đối xứng nhau qua $O$).
- Bước 2: Biểu diễn các điểm đó trên mặt phẳng toạ độ $Oxy$.
- Bước 3: Nối các điểm bằng một đường cong trơn mượt đối xứng qua trục tung $Oy$.
Lập bảng giá trị tương ứng:
| $x$ | -4 | -2 | 0 | 2 | 4 |
| $y = -\dfrac{1}{4}x^2$ | -4 | -1 | 0 | -1 | -4 |
Biểu diễn các điểm $(-4; -4), (-2; -1), (0; 0), (2; -1), (4; -4)$ trên mặt phẳng toạ độ $Oxy$ rồi nối lại ta được parabol như Hình 6.2.
Đồ thị hàm số $y = ax^2$ ($a \ne 0$) là một đường cong gọi là đường parabol có các tính chất sau:
- Có đỉnh là gốc toạ độ $O(0; 0)$.
- Có trục đối xứng là trục tung $Oy$ (hai điểm $(x; y)$ và $(-x; y)$ đối xứng nhau qua $Oy$).
- Nếu $a > 0$: Đồ thị nằm phía trên trục hoành, điểm $O$ là điểm thấp nhất của đồ thị.
- Nếu $a < 0$: Đồ thị nằm phía dưới trục hoành, điểm $O$ là điểm cao nhất của đồ thị.
Vẽ đồ thị của hàm số $y = \dfrac{1}{2}x^2$. Tìm các điểm thuộc đồ thị có tung độ bằng $2$ và nhận xét về tính đối xứng giữa các điểm đó.
Xem lời giải Luyện tập 2
Thay tung độ $y = 2$ vào phương trình hàm số:
$$\dfrac{1}{2}x^2 = 2 \iff x^2 = 4 \iff x = 2 \text{ hoặc } x = -2.$$Vậy có hai điểm thuộc parabol có tung độ bằng $2$ là $M(2; 2)$ và $M'(-2; 2)$.
Nhận xét: Hai điểm $M(2; 2)$ và $M'(-2; 2)$ có hoành độ đối nhau và cùng tung độ nên đối xứng nhau qua trục tung $Oy$.
Hướng dẫn giải bài tập SGK (Bài 6.1 đến 6.7)
Tính các giá trị $y$ tương ứng với $x \in \{-3; -2; -1; 0; 1; 2; 3\}$.
Xem lời giải
$x = 0 \implies y = 0$.
$x = \pm 1 \implies y = 0{,}25 \cdot 1^2 = 0{,}25$.
$x = \pm 2 \implies y = 0{,}25 \cdot 4 = 1$.
$x = \pm 3 \implies y = 0{,}25 \cdot 9 = 2{,}25$.
Đáy hình vuông cạnh $a\text{ (cm)}$, chiều cao $10\text{ cm}$. Viết công thức $V(a)$ và tính $V$ khi $a = 2\text{ cm}$. Nếu cạnh đáy tăng 2 lần thì $V$ thay đổi thế nào?
Xem lời giải
a) $V = S_{\text{đáy}} \cdot h = a^2 \cdot 10 = 10a^2\text{ (cm}^3\text{)}$. Khi $a = 2\text{ cm} \implies V = 10 \cdot 4 = 40\text{ cm}^3$.
b) Khi $a$ tăng 2 lần: $a' = 2a \implies V' = 10(2a)^2 = 40a^2 = 4V$ (thể tích tăng lên 4 lần).
Viết công thức diện tích toàn phần $S$ theo độ dài cạnh $a$. Tính cạnh $a$ khi $S = 54\text{ cm}^2$.
Xem lời giải
a) Hình lập phương gồm 6 mặt hình vuông cạnh $a$ nên diện tích toàn phần là: $S = 6a^2$.
b) Khi $S = 54\text{ cm}^2 \implies 6a^2 = 54 \implies a^2 = 9 \implies a = 3\text{ cm}$ (do $a > 0$).
Biết đường cong trong Hình 6.6 là parabol $y = ax^2$.
a) Tìm hệ số $a$.
b) Tìm tung độ điểm thuộc parabol có hoành độ $x = -2$.
c) Tìm các điểm thuộc parabol có tung độ $y = 8$.
Xem lời giải
a) Quan sát đồ thị, parabol đi qua điểm $(2; 2)$ nên: $2 = a \cdot 2^2 \implies 4a = 2 \implies a = \dfrac{1}{2} = 0{,}5$. Vậy hàm số là $y = \dfrac{1}{2}x^2$.
b) Khi $x = -2 \implies y = \dfrac{1}{2}(-2)^2 = 2$.
c) Khi $y = 8 \implies \dfrac{1}{2}x^2 = 8 \iff x^2 = 16 \iff x = \pm 4$. Vậy hai điểm cần tìm là $(4; 8)$ và $(-4; 8)$.
Cổng vòm có dạng parabol $y = ax^2$ như Hình 6.8. Chiều rộng chân cổng $AB = 6\text{ m}$, chiều cao cổng $OI = 4{,}5\text{ m}$.
a) Tìm hệ số $a$. Tính chiều cao $HK$ biết $H$ cách điểm chính giữa chân cổng $I$ là $2\text{ m}$.
b) Xe tải có chiều rộng $2\text{ m}$, chiều cao $3\text{ m}$ có thể đi qua cổng vòm được không?
Xem lời giải
a) Đỉnh $O$ ở đỉnh cổng. Mặt đất nằm ở đường thẳng $y = -4{,}5$.
Vì $AB = 6\text{ m}$ nên toạ độ chân cổng $B$ là $(3; -4{,}5)$. Thay vào $y = ax^2$:
$$-4{,}5 = a \cdot 3^2 \implies 9a = -4{,}5 \implies a = -0{,}5 = -\dfrac{1}{2}.$$Hàm số của cổng là: $y = -0{,}5x^2$.
Điểm $H$ cách $I(0; -4{,}5)$ là $2\text{ m} \implies x_H = 2$. Tung độ điểm $K$ là: $y_K = -0{,}5 \cdot 2^2 = -2\text{ m}$.
Chiều cao $HK = y_K - y_H = -2 - (-4{,}5) = 2{,}5\text{ (m)}$.
b) Xe tải rộng $2\text{ m}$ đi chính giữa cổng thì hai mép ngoài của thùng xe cách trục đối xứng $1\text{ m}$ ($x = \pm 1$).
Tại $x = 1$, tung độ vòm cổng là: $y = -0{,}5 \cdot 1^2 = -0{,}5\text{ m}$.
Chiều cao của vòm cổng tại vị trí này là: $-0{,}5 - (-4{,}5) = 4\text{ m}$.
Vì $4\text{ m} > 3\text{ m}$ (chiều cao xe tải) nên xe tải hoàn toàn có thể đi qua cổng vòm an toàn.
Hàm số dạng $y = ax^2$ với hệ số $a \ne 0$ là:
$y = -\dfrac{3}{4}x^2$ (có $a = -\dfrac{3}{4} \ne 0$).
Hàm số bậc hai $y = ax^2$ ($a \ne 0$) luôn xác định với mọi giá trị của biến số $x \in \mathbb{R}$.
Thay $x = -3$ vào hàm số:
$$y = 0{,}25 \cdot (-3)^2 = 0{,}25 \cdot 9 = 2{,}25.$$
Khi chạm đất, $s = 19{,}6\text{ m}$. Ta có:
$$4{,}9t^2 = 19{,}6 \iff t^2 = 4 \implies t = 2\text{ (giây) (do } t > 0\text{)}.$$
Công thức diện tích: $S = \pi r^2$.
Khi bán kính tăng 3 lần ($r' = 3r$):
$$S' = \pi (3r)^2 = 9\pi r^2 = 9S.$$
Vậy diện tích tăng gấp $9$ lần.
Thể tích hình lăng trụ đứng là:
$$V = S_{\text{đáy}} \cdot h = a^2 \cdot 10 = 10a^2\text{ (cm}^3\text{)}.$$
Khi $a = 2\text{ cm} \implies V = 10 \cdot 2^2 = 40\text{ cm}^3$.
Ta có: $6a^2 = 54 \iff a^2 = 9 \implies a = 3\text{ cm}$ (vì $a > 0$).
Đồ thị hàm số $y = ax^2$ ($a \ne 0$) là một đường cong parabol có đỉnh là gốc toạ độ $O(0; 0)$ và nhận trục tung $Oy$ làm trục đối xứng.
Vì hệ số $a = -3 < 0$ nên đồ thị parabol quay bề lõm xuống dưới, nằm hoàn toàn phía dưới trục hoành (trừ gốc toạ độ $O$) và điểm $O(0; 0)$ là điểm cao nhất của đồ thị.
Thay hoành độ $x = -2$ vào hàm số:
$$y = \dfrac{1}{2}(-2)^2 = \dfrac{1}{2} \cdot 4 = 2.$$
Suy ra điểm $N(-2; 2)$ thuộc đồ thị hàm số.
Cho $y = 2 \implies \dfrac{1}{2}x^2 = 2 \iff x^2 = 4 \iff x = \pm 2$.
Vậy có hai điểm là $(2; 2)$ và $(-2; 2)$.
Thay toạ độ điểm $A(2; 2)$ vào phương trình $y = ax^2$:
$$2 = a \cdot 2^2 \iff 4a = 2 \implies a = \dfrac{1}{2}.$$
Thay $y = 8$ vào hàm số:
$$\dfrac{1}{2}x^2 = 8 \iff x^2 = 16 \iff x = \pm 4.$$
Vậy các điểm đó là $(4; 8)$ và $(-4; 8)$.
Vì hàm số $y = -3x^2$ có hệ số $a = -3 < 0$ nên đồ thị của nó nằm hoàn toàn phía dưới trục hoành (trừ gốc $O$). Ngược lại hàm số $y = x^2$ có $a = 1 > 0$ nằm phía trên trục hoành.
Đã Thành Thạo Bài Tập Cơ Bản SGK?
Thử thách ngay với 2 bài toán tương tự & vận dụng nâng cao để bứt phá mục tiêu 9+!
Ngân Hàng Bài Toán Tương Tự & Vận Dụng Nâng Cao
Tuyển tập các bài toán phát triển từ câu hỏi SGK, bám sát đề minh họa và đề thi tốt nghiệp THPT 2025. Hướng dẫn tư duy bản chất, mẹo bấm máy giải nhanh và kèm lớp Zoom tương tác hàng tuần.
Mở Khóa Đáp Án & Lời Giải Dạng Toán Tương Tự 9+
Dạng bài toán tương tự & vận dụng nâng cao này giúp em nắm chắc phương pháp giải nhanh điểm 9+. Đăng nhập hoặc tạo tài khoản miễn phí chỉ trong 30 giây để bắt đầu giải bài!
Mở Khóa Đáp Án & Lời Giải Dạng Toán Tương Tự 9+
Dạng bài toán tương tự & vận dụng nâng cao này giúp em nắm chắc phương pháp giải nhanh điểm 9+. Đăng nhập hoặc tạo tài khoản miễn phí chỉ trong 30 giây để bắt đầu giải bài!