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玩一玩二次函數(shù)的“俄羅斯套娃”

 happymanlla 2023-07-16 發(fā)布于山東

二次函數(shù)作為中考數(shù)學(xué)壓軸題的常見考點,在其基礎(chǔ)上衍生出無數(shù)變式,它可以和一次函數(shù)、反比例函數(shù)整合,也可以與幾何圖形結(jié)合,而其中的動點問題,更是各地中考壓軸題的熟客,拋物線不僅存在于直觀圖形,更與運動最值等息息相關(guān),這其中對于二次函數(shù)及其圖像的性質(zhì)運用,須達到相當純熟的程度,才能做到游刃有余,這一層又一層的二次函數(shù)關(guān)系,猶如俄羅斯套娃,你玩得轉(zhuǎn)嗎?

題目

如圖,A(2,1),B(2,0),C為y軸上一動點,過A,C兩點的拋物線為y=ax+bx+n(a≠0,a≠-1),直線OA與直線BC相交于點P.

(1)若n=1,且拋物線恰好也過P點,如圖1,直接寫出拋物線頂點坐標為_____________;

(2)當拋物線同時經(jīng)過A,C,P三點時,此時P必為該拋物線的頂點,請以n=2為例驗證上述結(jié)論的正確性;

(3)若拋物線與直線BC有唯一交點C

①求a的值,并求當C沿y軸向上運動時,其頂點同時向下運動所對應(yīng)n的取值范圍;

②設(shè)過B另有一直線(與BC,AB不重合),也與拋物線僅有一個交點,設(shè)為D,經(jīng)探究發(fā)現(xiàn):無論C在y軸上如何運動,直線CD一定經(jīng)過一個確定不動點Q,請直接寫出該不動點Q的坐標.

解析:

(1)當n=1時,點C坐標為(0,1),我們可觀察點A與點C縱坐標相同,在拋物線上,縱坐標相同的兩個點一定是關(guān)于對稱軸對稱的,于是對稱軸為x=1,接下來有多種方法可以“秒殺”:

A,B,C坐標均已知,可得直線OA解析式為y=1/2x,直線BC解析式為y=-1/2x+1,求得P(1,1/2),然后將A,C,P三點代入拋物線解析式分別求出a,b,n,于是拋物線解析式為y=1/2x-x+1,化為頂點式為y=1/2(x-1)+1/2,于是頂點坐標為(1,1/2);

四邊形OBAC是矩形,根據(jù)對角線相等且互相平分,點P為BC和OA中點,即它的橫坐標為1,在對稱軸上,因此點P一定是頂點,利用中點公式秒了;

(2)當n=2時,點C坐標為(0,2),此時OA解析式不變,依然是y=1/2x,而BC解析式變成y=-x+2,求得P(4/3,2/3),同樣可利用A,C,P三點坐標求出拋物線解析式為y=3/4x-2x+2,化為頂點式為y=3/4(x-4/3)+2/3,因此頂點恰好是P;

(3)作為本題的難點,首先需要理解拋物線與直線有唯一公共點的意義,通常我們會聯(lián)立拋物線與直線得到一個一元二次方程,這個方程的判別式為零,記住這個方法,后面會多次用到它。

①又是一個令人費解的描述,當C沿y軸向上運動時,其頂點同時向下運動,點C坐標為(0,n),只有一個參數(shù)n來控制它上下運動,拋物線頂點縱坐標必定是一個含n的二次多項式,究竟是什么呢?暫時不清楚,但目標是明確的,即將拋物線頂點坐標表示出來看看。

面對拋物線解析式y(tǒng)=ax+bx+n中的眾多參數(shù),能消一個算一個,利用題目條件中拋物線經(jīng)過點A,將其坐標代入,得4a+2b+n=1,于是得到b=1/2-2a-n/2,于是拋物線解析式變成y=ax+(1/2-2a-n/2)x+n,直線BC的解析式可設(shè)為y=kx+n,再將點B坐標代入,得k=-n/2,于是直線BC解析式為y=-nx/2+n,現(xiàn)在我們聯(lián)立它們得到一個關(guān)于x的一元二次方程,ax+(1/2-2a-n/2)x+n=-nx/2+n,整理后得到ax+(1/2-2a)x=0,根據(jù)△=0,我們可求出a=1/4,于是b=-n/2,至此拋物線解析式可化為y=1/4x-nx/2+n,這是一個只含參數(shù)n的一元二次方程,它的頂點坐標可表示為(n,n-n/4),請注意它的縱坐標,是不是與我們先前的預(yù)測吻合?

將其縱坐標利用配方法化簡得-1/4(n-2)+1,我們可以利用二次函數(shù)的圖像性質(zhì),確定當n≥2時,頂點縱坐標隨n的增加而減少,即向下運動,推導(dǎo)如下:

②由題意可知直線BD與拋物線僅有一個公共點D,不妨設(shè)BD的解析式為y=mx+d,代入B(2,0),得到d=-2m,于是BC解析式可化為y=mx-2m,將其和拋物線聯(lián)立得方程1/4x-n/2x+n=mx-2m,同樣求其判別式△=1/4(n+2m)-(n+2m)=0,我們提個公因式再來看,(n+2m)[1/4(n+2m)-1]=0,意味著m=-n/2或m=2-n/2,請注意,題目中說了它與BC,AB不重合,而在前面我們求得BC的解析式中k=-n/2,于是m≠-n/2,所以m=2-n/2,再求出d=n-4,現(xiàn)在我們知道BD的解析式為y=(2-n/2)x+n-4,將其與拋物線聯(lián)立,得方程1/4x-n/2x+n=(2-n/2)x+n-4,整理得1/4x-2x+4=0,可求出x=4,于是點D坐標為(4,4-n);

此時我們設(shè)CD的解析式為y=px+n,將點D坐標代入,得到p=1-n/2,于是CD解析式化為y=(1-n/2)x+n,它一定經(jīng)過一個確定的不動點Q,怎么尋找這個點呢?

抓住“不動”二字,即無論n取何值,總有一對x,y的值滿足,不妨將所有含n的式子中因數(shù)n提出來,得到y(tǒng)=x+n(1-x/2),這就可以看出來了,當x=2時,y=2,與n無關(guān),所以點Q坐標為(2,2),推導(dǎo)如下:

解題反思

在參數(shù)n確定的時候,本題難度一般,涉及到拋物線與直線有唯一交點的問題也曾無比熟悉,然而在理解頂點向下運動的時候,需要建立起它的縱坐標與二次函數(shù)圖像的關(guān)聯(lián),相當于在原題的二次函數(shù)中又嵌套了一次,而在研究直線過定點類的問題時,一定要牢記直線過定點的基本方法,即與解析式中的參數(shù)無關(guān),什么叫無關(guān)呢?即化為關(guān)于這個參數(shù)的方程,讓它的系數(shù)為零,這樣就能保證無論參數(shù)如何變化,恒成立,從而求解出需要的結(jié)果。

從這道題目中,至少我們知道參數(shù)控制點的運動,如果是參數(shù)的一次多項式,則點沿直線運動,如果是二次多項式,基本上沿拋物線運動,就一定存在“忽上忽下”的運動路線,這極容易迷糊,而要理清它如何動,歸根到底還是建立在對二次函數(shù)圖像特征的深度理解上。

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