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中考数学:2015山东临沂卷压轴题

题目

在平面直角坐标系中,O为原点,直线y=-2x-1与y轴交于点A,与直线y=-x交于点B,点B与点C关于原点对称。

1、求过A,B,C三点的抛物线的解析式;

2、P为抛物线上一点,它关于原点的对称点为Q。

①当四边形PBQC为菱形时,求点P的坐标;

②记点P横坐标为t,-1<t<1。当t为何值时,四边形PBQC的面积最大?并说明理由。


分析

跟着问题找条件

1、求抛物线解析式,需要知道A,B,C的坐标

题目要求过A,B,C的抛物线方程,那么我们需要知道A,B,C的坐标。根据题意,A为y=-2x-1与y轴的交点,B为y=-2x-1与y=-x的交点。通过联立方程,可以得到A(0,-1),B(-1,1)。B与C关于原点对称,所以这两个点的坐标完全相反,于是C(1,-1)。

记抛物线解析式为y=ax^2+bx+c,代入A,B,C坐标,得到三个方程,联立可得a,b,c的值,不难得到解析式为y=x^2-x-1。

2、①挖掘菱形的几何性质

关于P,直接相关的已知条件有3个:

  • P在抛物线上

  • P与Q关于原点对称

  • PBQC是菱形

逐个挖掘:根据第1个条件,我们可以得到P的横坐标与纵坐标之间的关系式;根据第2个条件,可以得到Q的坐标,可以得到OP=OQ;根据第3个条件,PB=PC=QB=QC,PQ与BC互相垂直、中分。

思路1:利用PB=PC

由于B,C的坐标已知,我们可以利用距离公式算出PB、PC,利用PB=PC得到一个仅含一个未知数(P的纵坐标可用横坐标表达)的方程,从而求得P的坐标。

思路2:利用PQ与BC互相垂直、中分

BC斜率是-1,所以直线PQ斜率为1且过原点,解析式为y=x,所以P的横坐标与纵坐标相同。由此可得P的坐标。

所以,这个问题中,跟Q没什么关系......

第一步四边形PBQC的面积如何表达

题目问四边形面积何时最大,那么首先要考虑四边形面积如何表达。否则,根本没有研究的基础。四边形PBQC可以分解为△BPQ与△CPQ,也可以分解为△PBC和△QBC。并且由于P、Q关于原点对称,A、B关于原点对称,所以不难发现△BPQ与△CPQ面积相等,△PBC和△QBC面积也相等。这样,四边形的面积可以用某一个三角形的面积表达。

第二步,选哪个三角形?

如果选择△BPQ,那么无论以哪条边作底边,底边和高都是含有未知数的表达式。如果选择△PBC,至少BC长度是定值,我们只要找到高的表达式即可。所以,选择△PBC。

第三步,高是多少?

过P作BC的垂线,垂足为H,如下图。则四边形PBQC的面积=2倍的△PBC的面积=BC×PH。

根据距离公式可以计算PH,前提是知道H坐标的表达式。注意到,H位于BC上,所以可记H(h,-h)。PH与BC垂直,所以PH的斜率为1。所以有

  • (h-t)/(-h-t^2+t+1)=1

这样我们得到h=(-t^2+2t+1)/2,这样PH可以通过t来表达,计算得

  • PH=(1-t^2)/√2

于是四边形PBQC的面积=2-2t^2。

第四步,何时面积最大?

显然,t=0时,面积取最大值2。此时,P点坐标(0,-1)。

最后,为什么限定-1<t<1?

上述,我们省略了计算过程。事实上,计算PH时需要开根号。当t超出取值范围时PH=(t^2-1)/√2。这样,四边形的面积=2t^2-2,不再存在最大值。

解题

1、记抛物线解析式为y=ax^2+bx+c,记A(xa,ya),B(xb,yb),C(xc,yc)。根据题意:

A:在y轴上,所以xa=0;在y=-2x-1上,所以ya=-1;

B:在y=-2x-1上,所以yb=-2xb-1;在y=-x上,所以yb=-xb。于是xb=-1,yb=1;

C:与B关于O对称,所以xc=1,yc=-1。

这三个点都在抛物线上,分别代入,可得

  • -1=c

  • 1=a-b+c

  • -1=a+b+c

计算可得a=1,b=-1,c=-1,所以抛物线解析式y=x^2-x-1;

2、记P点坐标为(t,y),则y=t^2-t-1。

①四边形PBQC为菱形,所以PB=PC。而

  • PB^2=(t+1)^2+(t^2-t-1-1)^2,

  • PC^2=(t-1)^2+(t^2-t-1+1)^2

即有(t+1)^2+(t^2-t-1-1)^2=(t-1)^2+(t^2-t-1+1)^2,整理得t^2-2t-1=0。于是t=1±√2,P(1-√2,1-√2)或(1+√2,1+√2)。

②由于OP=OQ,OB=OC,∠POB与∠COQ为对顶角,所以△POB≌△QOC,所以PB=CQ。同理,PC=QB。所以△PBC≌△QCB,所以四边形PBQC的面积=2倍的△PBC的面积。

作PH⊥BC,H为垂足。则△PBC的面积=BC×PH/2。注意到H在BC上,所以可记H坐标为(h,-h)。PH⊥BC,所以直线PH斜率为1,所以(h-t)/(-h-t^2+t+1)=1,可得h=(-t^2+2t+1)/2。

根据距离公式,PH=√[(1-t^2)^2/2]。当-1<t<1时,PH=(1-t^2)/√2。又,BC=2√2,所以四边形PBQC的面积=2-2t^2。

2-2t^2的最大值,显然为2,当t=0时取得。而t=0满足-1<t<1,符合题意。

回顾

1、所有用到斜率的地方,都可以用几何图形性质推导;

2、关于PH的计算,也可以利用等腰直角三角形的性质推导,大家可以试一试。

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