抛物线中的线段最值,通常解法是用含参数的代数式表示出这条线段长度,同时这个代数式一般为关于这个参数的二次多项式,通过配方可求其最值,而矩形存在性的探究,通常是基于矩形的判定,特别是其对角线的特殊性。
题目
如图,抛物线y=ax²+bx+c与x轴交于点A(-1,0),B(-3,0),且OB=OC.
(1)求抛物线的解析式;
(2)点P在抛物线上,且∠POB=∠ACB,求点P的坐标;
(3)抛物线上两点M,N,点M的横坐标为m,点N的横坐标为m+4,点D是抛物线上M,N之间的动点,过点D作y轴的平行线交MN于点E.
①求DE的最大值;
②点D关于点E的对称点为F,当m为何值时,四边形MDNF为矩形.
解析:
(1)用抛物线的交点式可能会稍快一点,设y=a(x+1)(x+3),代入点C(0,-3),解得a=-1,于是y=-x²-4x-3;
(2)没有给出度数的角,最佳描述大小的方法是三角函数,构造一个含∠ACB的直角三角形,求出其正切值,再构造含∠POB的直角三角形即可。
先过点A作AG⊥BC,如图所示:
很容易得到等腰Rt△ABG,而AB=2,于是求出BG=AG=√2,再求出BC=3√2,因此得到CG=2√2,所以tan∠ACG=0.5,这便代表∠ACB的大小了,而利用一次函数斜率与这个正切值的关系,后面的解答会更快捷。
然后我们只需要过原点,分别作两条直线,其斜率分别为0.5和-0.5即可,如图所示:
这两条直线分别与抛物线相交于四个点,这些点即我们所求的点P,当k=0.5时,直线y=0.5x与抛物线y=-x²-4x-3联立得方程x²-4.5x+3=0,再将直线y=-0.5x与抛物线联立得第二个方程,分别解它们,如下图:
(3)先表示出点M,N的坐标,分别是M(m,-m²-4m-3),N(m+4,-m²-12m-35),利用它们写出直线MN的解析式y=-2(m+4)x+m²+4m-3。
①到底点D在何处,能保证DE长度最大呢?
图形直观法:
我们不妨任意在抛物线上任选一个点,过这个点作MN的平行线l,在草稿纸上多画几次,会发现当这条直线l与抛物线只有唯一公共点时,DE的长度最大。
解题思路便由此得来,作MN的平行线,同时它与抛物线只有唯一公共点,这直接联想到判别式了。
设直线l的解析式为y=-2(m+4)x+b,与抛物线联立,求其判别式△=0,然后求出b=m²+4m+1,解这个方程-2(m+4)x+m²+4m+1=-x²-4x-3,它有两个相等的实数根,是x=m+2,因此当点D横坐标为m+2时,DE最长,此时D(m+2,-m²-8m-15),E(m+2,-m²-8m-19),所以DE最大值是4;
代数解析法:
设点D(t,-t²-4t-3),E(t,-2(m+4)t+m²+4m-3),于是DE=-t²+2(m+2)t-m²-4m=-[t-(m+2)]²+4,所以当t=m+2时,DE有最大值4;
②到底m为何值时,四边形MDNF为矩形呢?
由于MN和DF只能是矩形对角线,它们的几何性质要求它们互相平分且相等,所以得出E点必须是MN中点,即横坐标为m+2,似乎在上一小题中,我们已经得到过一次了,所以DE取最大值4时,四边形MDFN为平行四边形。
只差一步就成矩形了,DF=2DE=8,因此MN=8,用两点距离公式表示出MN,所以MN²=64,列出方程即可求出m=-4±√3/2.
解题反思
总体上感觉此题第一个难点在于函数题中的角度相等条件的处理,在几何题中,这个条件比较容易相联相关定理,但在函数题中,较少出现,而角度和边长的关系,用三角函数最方便。
第二个难点是线段最值问题,此题恰好用代数解析法非常快捷,表示出点坐标,再表示出线段长度代数式,配方,完毕。
第三个难点是矩形存在性,既然是矩形,那么其对角线互相平分且相等,便是突破口,用解析思想理解几何性质,是数形结合的基础。
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