题目:
在平面直角坐标系中,O为原点,四边形OABC的顶点A在x轴正半轴上,OA=4,OC=2,点P、点Q分别是边BC、边AB上的点。连接AC、PQ,点B1是B关于PQ的对称点。
1、若四边形OABC为矩形,如图1。
①求点B的坐标;
②若BQ:BP=1:2,且点B1落在OA上,求点B1的坐标;
2、若四边形OABC是平行四边形,如图2。OC⊥AC,过点B1作B1F∥x轴,与对角线AC、边OC分别交于点E、F。若B1E:B1F=1:3,点B1的横坐标为m,求点B1的纵坐标,并直接写出m的取值范围。
1、关于问题①,因为OC和OA的长度已知,且四边形OABC是矩形,所以B的坐标易得,为(4,2);
关于问题②,跟着问题找条件。要求B1的坐标,先看与B1直接相关的条件:
B1在x轴上,所以B1纵坐标为0;
与B关于PQ对称,所以BB1⊥PQ,且PQ中分BB1。
目前,我们仍不知道B1的横坐标,所以需要利用条件“B1与B关于PQ对称”进行求解。但问题在于,PQ也是一条不固定的线段,题干条件仅为“BQ:BP=1:2”。恰好,也是幸好,BA:BC=1:2。由此不难证明△BPQ∽△BCA,所以PQ∥AC,这样BB1⊥AC。即便这样,我们仍然无法利用PQ的其他性质,只能继续挖掘BB1⊥AC。
注意到,∠BCA+∠B1BC=90度,∠B1BA+∠B1BC=90度,所以∠BCA=∠B1BA。由此,不难推出直角三角形B1BA与直角三角形ACB相似,从而AB1:AB=1:2,于是AB1=1,B1的坐标为(3,0)。
2、共有2个问题:B1的纵坐标是多少?m的取值范围是多少?问题的实质是B1的位置在哪里。跟着问题找条件,先看与B1直接相关的条件:
B1E:B1F=1:3;
B1与B关于PQ对称。
PQ在哪里,唯一的信息是P在线段BC上,Q在线段BA上,其余则完全不知道,所以“B1与B关于PQ对称”无法拿来推导B1的位置。我们只能挖掘B1、E、F。
记B1(m,b),由于EF∥x轴,所以E和F的纵坐标与B1相同;由于B1E:B1F=1:3,所以B1E、B1F可以用B1和E、F的横坐标表示。但问题是,当我们用B1和E、F的横坐标表示B1E、B1F时,必须知道B1与E、F的相对位置:只有三种情况:
B1在E右侧;
B1在E、F之间;
B1在F左侧;
记E的横坐标为e,F的横坐标为f,对上述三种情况分别讨论:
当B1在E右侧时,B1E=m-e,B1F=m-f。这样,关于B1、E、F的条件如下
CF^2+CE^2=EF^2;
B1E:B1F=1:3。
接下来,我们把B1、E、F的坐标代入,通过消除e、f得到b关于m的表达式。下面主要用距离公式进行线段长度的计算,当然也可以用勾股定理代替。首先,看看CF与CE。由于EF∥x轴,所以CF:CE=CO:CA,而CA=√3。这样,我们得知CF:CE=1:√3,并同时发现直角三角形OAC的特殊性:30度、60度和90度的内角,不难得到B(5,√3),C(1,√3)。于是,
CE^2=(e-1)^2+(b-√3)^2;
CF^2=(f-1)^2+(b-√3)^2;
EF^2=(e-f)^2。
同时,由CF:CE=1:√3得到CE^2=3CF^2=3(f-1)^2+3(b-√3)^2。于是,有
(e-f)^2=4(f-1)^2+4(b-√3)^2
(e-1)^2+(b-√3)^2=3(f-1)^2+3(b-√3)^2
通过消去(b-√3)^2,可得(e-f)^2=2(e-f)(e+f-2)。由于B1E:B1F=1:3,所以E、F不能重合,所以e-f不为0。这样得到e+3f-4=0。再利用3(m-e)=m-f,通过消去e、f可以得到b=(-m√3+6√3)/5。
下面我们要判断m的取值范围了。提前剧透:给出两个思路,但无论哪种都较为繁复。跟着问题找条件,m需要满足什么样的条件?等价于B1需要满足什么样的条件!
首先,根据分类,B1需要在AC的右侧;
其次,由于EF与AC、OC相交,所以B1的纵坐标不能小于0,不能大于√3。即EF不能低于OA,不能高于BC;
最后,也是最关键的,B1与B对称,其中垂线PQ必须满足P在线段BC上,Q在线段BA上。
在之前的求解过程中,我们始终没有用到“B1与B对称”这一条件,现在用来验证B1。
思路一:记B1B的中点为E,其坐标可以用B1和B的坐标表达。显然E在PQ上,PQ与B1B垂直,又已经知道PQ上一点E,所以直线PQ的表达式可得(含参数m)。这样,直线PQ与BC和BA的交点P、Q坐标可得。这两个交点分别在线段BC和BA上,所以其取值是有范围的。这样,可以得到m的取值范围。
思路二:通过在数学推导上不严谨(但没错)的几何方法去求解。找到PQ的极限位置,然后分别求出此时B1的坐标值,可得m的范围。
关于思路一,在数学上十分严谨。大家可以试一试,最终得到关于m的一元二次不等式,利用抛物线性质可以得解。但是计算的过程比较繁复。
关于思路二,赘述如下:
注意到,B1的坐标(m,(-m√3+6√3)/5),说明B1位于直线y=(-x√3+6√3)/5上,我们画草图如下:
关于P'Q':由于P'Q'是BB1'的中垂线,所以BP'=B1'P',即BC=B1'C=4,根据距离公式可得(1-m)^2+(√3-(-m√3+6√3)/5)^2=16,从而得到m=1±10/√7;
关于P''Q'',B1''A=BA=2,根据距离公式可得(4-m)^2+(0-(-m√3+6√3)/5)^2=4,可得m=6或m=17/7。
观察图形,舍去m=1-10/√7和m=6,可得B1'横坐标1+10/√7,B1''横坐标17/7。同时,注意到此时B1满足“在AC的右侧”和“B1的纵坐标不能小于0,不能大于√3”,所以m的取值范围为17/7≤m≤1+10/√7。
当B1在E、F之间时,与上述情况类同,不再赘述;
当B1在F左侧时,B1E≥B1F,不满足B1E:B1F=1:3。
这两种情况,图示如下
解题:
写不动了,不再赘述。
回顾:
1、在题目1第二个问题中,题目直接给出了图示:矩形OABC在第一象限。如果在第四象限呢?影响B1的求解么?
2、在题目2中,如果平行四边形OABC在第四象限,会如何?
3、题目2的求解,需要注意对B1的位置进行分类讨论,对所有情况都要考虑到。这里容易漏解,需要注意。
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