威威學長|高一多項式系列
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課本把 $y=x^3-x^2-x+3$ 好好地改寫成 $y=(x-2)^3+5(x-2)^2+7(x-2)+5$。看到這一步,很多人的反應是:曲線本來局部看就像直線啊,幹嘛要多此一舉換成 $(x-2)$?
這一問,剛好問到整個單元最核心的一個觀念。
「局部像直線」是曲線的事,跟你怎麼寫無關
先給這個直覺拍拍手 👏。它完全對:一條平滑曲線,你拿放大鏡對準任何一點,放大再放大,它看起來就是直線。這是曲線天生的幾何性質,跟它旁邊掛什麼代數招牌一點關係都沒有。
那課本在忙什麼?
差別在於:「知道它像直線」是一回事,「把那條直線的方程式寫出來」是另一回事。你光盯著 $y=x^3-x^2-x+3$ 看,看得出它在 $x=2$ 附近那條逼近直線的斜率嗎?看不出來。式子裡每一項都在互相干擾,沒有人是主角。
換成 $(x-2)$,其實是把放大鏡對焦
把多項式改寫成 $(x-2)$ 的多項式(用連續綜合除法,高一標準技能),奇蹟就發生了:
$$y=1(x-2)^3+5(x-2)^2+7(x-2)+5$$
現在代一個很靠近 $2$ 的數,例如 $x=2.001$:
- $(x-2)^3=(0.001)^3=0.000000001$,灰塵等級
- $5(x-2)^2=0.000005$,幾乎可以無視
- $7(x-2)+5=5.007$,佔了總值的 99.999%
高次項自己「消音」了。剩下的一級主角 $7(x-2)+5$,就是那條局部逼近直線:斜率 $7$、過點 $(2,5)$。
對比一下原式:代入 $x=2.001$ 時,$(2.001)^3\approx 8$、$(2.001)^2\approx 4$,每一項都是大數字在互相抵消,你根本看不出誰在主導圖形。
所以這個改寫的意義是:把觀察中心平移到 $x=2$,讓高次項的影響力自動衰減,直線的部分自己浮出來。它是高中生的「切線求法」,大學叫泰勒展開,但用到的只有乘法和除法,完全可以先學。
三次函數的對稱中心:這個改寫的第二件禮物
這個 $(x-h)$ 形式還藏著一個更大的寶:三次函數的對稱中心。
任何三次函數都可以寫成
$$f(x)=a(x-h)^3+p(x-h)+k$$
在這個形式下,$(h,k)$ 就是圖形的對稱中心。為什麼?把 $h$ 想成原點:$a t^3+pt$ 這個函數,$t$ 換成 $-t$ 會變號(奇函數),所以整張圖繞 $(h,k)$ 旋轉 180° 圖形不變。三次函數永遠長這樣:一個對稱中心配上兩側的擺動。
實戰上這超好用。看一個例子:
三次函數 $f(x)$ 的對稱中心平移後(左移 $1$、下移 $2$)落在 $(-2,-3)$,且 $f(x)$ 通過 $(-2,1)$ 與 $(1,1)$,求 $f(x)$。
第一步:反推對稱中心。平移是單行道,要回頭就反向走:右移 $1$、上移 $2$,得原對稱中心 $(-1,-1)$。
第二步:用對稱中心列式。
$$f(x)=a(x+1)^3+p(x+1)-1$$
第三步:代兩個點。
代 $(-2,1)$:$-a-p-1=1$,即 $a+p=-2$。 代 $(1,1)$:$8a+2p-1=1$,即 $4a+p=1$。
兩式相減 $3a=3$,$a=1$、$p=-3$:
$$f(x)=(x+1)^3-3(x+1)-1=x^3+3x^2-3$$
如果不會對稱中心假設法,這題就得設 $ax^3+bx^2+cx+d$ 硬解兩條方程式加一個導數條件,工程量大好幾倍。
平移可以只搬骨架,不用展開
再一題:已知 $g(x)=-x^3+3x^2+5x$,而 $g$ 是把某個 $f$ 左移 $2$、上移 $7$ 之後得到的,求 $f(x)$。
照本宣科的做法是「往回平移」:$f(x)=g(x-2)-7$,然後開始展開 $-(x-2)^3+3(x-2)^2+5(x-2)-7$……算得滿頭汗。換一條路:先對 $g$ 做連續綜合除法,會發現
$$g(x)=-(x-1)^3+8(x-1)+7$$
所以 $g$ 的對稱中心是 $(1,7)$。往回平移就是反向走:右移 $2$、下移 $7$,$f$ 的對稱中心是 $(3,0)$,於是
$$f(x)=-(x-3)^3+8(x-3)$$
對照標準答案 $-x^3+9x^2-19x+3$,長得完全不一樣。但展開給你看:
$$-(x-3)^3+8(x-3)=-(x^3-9x^2+27x-27)+8x-24=-x^3+9x^2-19x+3$$
一模一樣。而且這個走法抓的是圖形的骨架(對稱中心 $(3,0)$),比暴力展開高明多了。這就是「對稱中心」視角的威力:平移時不用管多項式表面的係數,直接搬骨架。
給所有「算出來跟解答長得不同就慌」的人一句話:多項式的答案本來就不唯一。展開對照一下,或代幾個點檢查,才是正確的驗收方式。
換你動手
練習 1:把 $f(x)=x^3+3x^2+x-1$ 改寫成 $a(x+1)^3+p(x+1)+k$ 的形式,並求圖形的對稱中心與 $x=-1$ 附近的局部逼近直線。
點開看詳解
連續綜合除法,除數 $-1$,對係數 $1,\ 3,\ 1,\ -1$ 剝兩層:
第一層(除以 $x+1$):$1$ 帶下;$1\times(-1)=-1$,$3-1=2$;$2\times(-1)=-2$,$1-2=-1$;$(-1)\times(-1)=1$,$-1+1=0$。商 $x^2+2x-1$、餘 $0$。(順便驗證:$f(-1)=-1+3-1-1=0$ ✓)
第二層(再除以 $x+1$):對 $1,\ 2,\ -1$:$1$ 帶下;$-1$,$2-1=1$;$-1$,$-1-1=-2$。商 $x+1$、餘 $-2$。
讀答案:$x^2+2x-1=(x+1)\cdot(x+1)-2$,代回第一層:
$$f(x)=(x+1)^3-2(x+1)$$
展開驗證:$(x^3+3x^2+3x+1)-2x-2=x^3+3x^2+x-1$ ✓。不確定就展開驗一次,五秒鐘的事。
所以對稱中心是 $(-1,0)$,$x=-1$ 附近的局部逼近直線是 $y=-2(x+1)$:斜率 $-2$,過點 $(-1,0)$。
這也代表圖形繞 $(-1,0)$ 旋轉 180° 不變,你在座標平面上把這條三次曲線轉半圈,它會跟自己完全重疊。
練習 2:三次函數 $f(x)$ 的對稱中心為 $(2,-1)$,且通過 $(3,1)$,$f(1)=?$
點開看詳解
設 $f(x)=a(x-2)^3+p(x-2)-1$。
代 $(3,1)$:$a+p-1=1$,所以 $a+p=2$。
代 $x=1$:$f(1)=a(-1)^3+p(-1)-1=-(a+p)-1=-2-1=-3$。
厲害的地方來了:我們根本不用知道 $a$ 和 $p$ 各自是多少,因為對稱點的特性保證它們只以 $a+p$ 的組合出現。事實上 $(1,-3)$ 正是 $(3,1)$ 繞對稱中心 $(2,-1)$ 旋轉 180° 的鏡像點:$x$ 座標 $2\times 2-3=1$,$y$ 座標 $2\times(-1)-1=-3$ ✓。
答案:$f(1)=-3$。用對稱性,這題連假設式都可以不用寫。
$(x-h)$ 這個改寫之所以是高一多項式裡 CP 值最高的一個技巧,是因為一個動作能領兩份紅利:往前一步是「局部逼近直線」,往旁邊一步是「對稱中心」。
隨手挑一題課本的「把 $x^3+\dots$ 改寫成 $(x-h)$ 形式」,連續綜合除到底,然後做兩件事:寫出對稱中心,再把 $x=h$ 附近代一個 $h+0.001$ 進去看誰在講話。如果你的改寫展開回去跟原式差一個常數,通常是綜合除法某一層的餘數抄錯了。把兩層的餘數貼給我,我們一起對。
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