二次函數(shù)中的動點問題主要有以下五種考查類型:多邊形面積問題、線段最值問題、特殊多邊形(如等腰三角形、平行四邊形等)存在性問題、角度存在性問題,以及相似和全等三角形存在性問題.本文中對二次函數(shù)中定直線與動點產(chǎn)生的多邊形面積問題,給出了割補法、相似法、切線法及間距公式法四種求解策略.
1策略一:利用割補法求解
分割、補形是幾何圖形中的常見處理方式,此方法的要點在于把多邊形進行適當?shù)母罨蜓a,分割成若干個或補全為一個有利于表示面積的圖形.
題1(2022巴中)如圖1,拋 物線 ,交 x 軸于 A,B 兩點,交 y 軸于點 C,F(xiàn) 為拋 物線的頂點,直線 E F 垂直于 x 軸 于點 E ,當 y?0 時, -1?x?3
(1)求拋物線的表達式;
(2)點 P 是線段 B E 上的動點(除 B,E 外),過點P 作 x 軸的垂線交拋物線于點 D ,當點 P 的橫坐標為2時,求四邊形 A C F D 的面積.
分析:本題在求出 兩點的坐標后,可得 C D// x 軸,因此可將四邊形 A C F D 的面積分割成 Δ F C D 和 Δ A C D 的面積之和.
解:(1)易求得 過程略.
(2)依題意,求得 A(-1,0),C(0,3),F(xiàn)(1,4) , D(2,3) ,則線段 C D//x 軸.
故 4,即四邊形 A C F D 的面積為4.
2策略二:利用相似法求解
對于難以求解邊長或高的三角形,若圖形中存在與之相似的三角形,可以將其轉化為已知邊長的三角形,利用相似的比例關系求解.
題2(2022廣東)如圖2,拋物線 (b,c 是常數(shù))的頂點為 c ,與 x 軸交于 A,B 兩點,A(1,0) A B=4,P 為線段
上的動點,過點 P 作
P Q//B C 交 A C 于點 Q (1)求該拋物線的解析式;
(2)求 Δ C P Q 面積的最大值,并求此時點 P 的坐標.
分析:本題點 A,B,C 的坐標均可求出,注意到 Δ C P Q 的面積可以轉化為 Δ A P C 與 Δ A P Q 的面積之差,接下來就是求底邊 A P 和相應的高.在設點 P 坐標為 (m,0) 后,需要求解點 Q 的縱坐標,這也是本題最大的難點.若利用 P Q//B C ,通過聯(lián)立直線 P Q 與 A C 的方程求點Q 的縱坐標,計算量會非常大,如果注意到 Δ A P Q~ Δ A B C ,利用相似比將點 Q 的縱坐標轉化為關于 m 的關系式,問題將迎刃而解.
解:(1)易求得 過程略.
(2)如圖3,過點 Q 作 Q E⊥ x 軸于點 E ,過點 c 作 C F⊥ x 軸于點 F .由(1)知, .A(1,0),B(-3,0) 設 ,則 P A=1-m .由P Q//B C ,可得 Δ P Q A~Δ B C A ,則
AB·由y=x2+2x-3=
,得 C(-1,-4) ,所以
則 Q E= 1-m .于是
,又一 ?3 有最大值2,此時點 P 的坐標為 (-1,0) .
3策略三:利用切線法求解
若已知兩定點 A,B ,動點 P 在拋物線上運動,可以利用切線法求解 Δ P A B 面積的最大值,即過點 P 作直線AB的平行線l" ,當直線 l與拋物線有唯一交點P (聯(lián)立方程后得到的判別式為0)時, A B 邊上的高最大.
題3(2022襄陽)在平面直角坐標系中,直線y=m x-2m 與 x 軸、 y 軸分別交于 A,B 兩點,頂點為 D 的拋物線 與 y 軸交于點 c .如圖4,當 m=2 時, P 是拋物線 C D 段上的一個動點.
(1)求 A,B,C,D 四點的坐標;
(2)求 Δ P A B 面積的最大值,并求此時點 P 的坐標.
分析:在求出 A,B 兩點的坐標后,利用勾股定理可以求出底邊 A B ·滿足切線法的使用條件.如圖5,在作出滿足題意的切線 P E 后,難點在于求解兩平行線間的距離,這里可以利用 sin∠ E B F=sin∠ A B O ,將三角形的高轉化為已知邊長求解.
解:(1)易求得 A(2,0),B(0,-4),C(0,-2) 中D(2,2) .
(2)由已知,可得直線 A B 為 y=2x-4 ,拋物線為 過點 P 作直線 A B 的平行線
,當直線 ι 與拋物線有唯一交點 P 時, A B 邊上的高最大.設l:y=2x+b ,聯(lián)立
,整理得
2x+b+2=0 由
,得 b=-1 ,則l:y=2x-1. 由
,得 x=1 ,則P(1,1) .對于 :y=2x-1 ,令 x=0 ,得 y=-1 ,所以 l 與
軸交點坐標為 E(0,-1) .如圖5所示,過點 E 作E F⊥ A B 于點 F ,則有 E F=E Bsin∠ E B F=E B ·sin∠ABO=E B? AB,所以(S△PAB)mx
·
,故 Δ P A B 面積最大值為3,此時 P(1,1) .
4策略四:利用間距公式求解
如圖 6,A,B,P 三點在拋物線 上,過點 P 且與拋物線對稱軸平行的直線交 A B 于點于點 Q ,若點 A,B 到直線 P Q 的距離分別為
,則
.該公式也被稱為間距公式.
證明:設直線 的解析式為 y=k x+m ,聯(lián)立拋物線方程得
,此方程的兩個根分別為 A,B 兩點的橫坐標,故
,此為關于
的恒等式.令
,則
·
,即
所以 即
:
題4(2023安徽)在平面直角坐標系中, O 是坐標原點,拋物線 經(jīng)過點 A(3,3) ,對稱軸為直線 x=2
(1)求 的值;
(2)已知點 在拋物線上,點 B 的橫坐標為 t ,點 c 的橫坐標為 t+1. 過點 B 作 x 軸的垂線交直線O A 于點 D ,過點 c 作 x 軸的垂線交直線 O A 于點 E 當 0 和 Δ A C E 的面積之和.
分析:如圖7,拋物線的解析式為 ,由題意知點 o 到直線 B D 的距離為
,由間距公式得B D=t(3-t) ,再利用底乘高即可快速求解
的面積.設點 A 到直線 C E 距離為 n ,同理可求出Δ A C E 的面積.注意到 t+n=t+2-t=2 ,在求解面積之和的過程中運用立方和公式
·
進行因式分解可以大大減少運算量.
解:(1)易求得 a=-1,b=4 .
(2)由(1)得拋物線的解析式為 由題意知,點 o 到直線 B D 的距離為 t .設直線 O A:y= k x ,代入 A(3,3) 得 k=1. 由 O A:y=x ,聯(lián)立
4x 得
,變形得
-(x-0)(x-3) ,該方程為關于 x 的恒等式,令 x= t ,得
,即
,則
,即 B D=t(3-t)
.設點 A 到直線 C E 的距離為n,同理得S△ACE
,又點 A 到直線 C E 的距離為 3-(t+1)=2-t ,則 t+n=2 ,所以
即
和 Δ A C E 的面積之和為2.
在近幾年的各類考試中,二次函數(shù)中動點與面積相結合的試題屢見不鮮,常考常新,應引起高度重視,學生由于對相關的幾何關系掌握不到位導致考試丟分嚴重.教師如果能夠加強學生邏輯推理素養(yǎng)的培養(yǎng),總結這一類問題的通性通法一一數(shù)形結合,借助題目的已知條件、所求問題的圖形特征及運動規(guī)律等,靈活地把未知條件轉化為已知條件,將會使得這類問題得到正確迅速的解決,從而提高學生的學習效率.