“任意点”与“存在一点”的代数理解(2020年深圳第23题)
当我们遇到0·x=0这样的等式时,第一个想到的是小学就学过的一句话“零乘任何数等于零”,然后用初中方程的理解方式,可理解为“x可取任意实数”,我们将方程进化至函数图象,则可理解为图象经过定点或不经过定点等等。
无论是哪一种情形,都需要对文字语言进行解读,用数学符号来描述,在解压轴题过程中,题目叙述中的每个字都需要认真读,只要审题用心,在寻找解题方法时遇到的阻碍就会少很多。
题目
如图1,抛物线y=ax² bx 3(a≠0)与x轴的交点A(-3,0)和B(1,0),与y轴交于点C,顶点为D.
(1)求该抛物线的解析式;
(2)连接AD,DC,CB,将△OBC沿x轴以每秒1个单位长度的速度向左平移,得到△O'B'C',点O、B、C的对应点分别为O'、B'、C',设平移时间为t秒,当点O'与点A重合时停止移动,记△O'B'C'与四边形AOCD重合部分的面积为S,请直接写出S与t之间的函数关系;
(3)如图2,过该抛物线上任意一点M(m,n)向直线l:y=9/2作垂线,垂足为E,试问在抛物线的对称轴上是否存在一点F,使得ME-MF=1/4?若存在,请求出F的坐标;若不存在,请说明理由.
解析:
(1)将点A和B坐标代入解析式,解一个二元一次方程组即可,结果为y=-x²-2x 3,或者利用交点式,设y=a(x 3)(x-1),比较y=ax² bx 3,得-3a=3,于是求出a=-1,b=-2;
(2)重合部分面积,先要弄清楚重合部分是什么形状,再来看怎么求面积。
△O'B'C'从出发开始,就与四边形AOCD有部分重合,渐渐至完全没入,然后慢慢从四边形中出来,直到停止,从这个运动过程中,我们需要分段计算。
前期准备工作:平移过程中,O'(-t,0),B'(1-t,0),C'(-t,3),直线AD的解析式可求,为y=2x 6,直线B'C'可表示出来,为y=-3x 3-3t;
第一个阶段,从开始到完全没入四边形
此时0≤t<1,如下图:
我们可发现,图中△OB'F∽△O'B'C',而后者的面积是知道的,即△OBC的面积,是3/2,不妨用相似比来求面积,OB':O'B'=(1-t):1,相似三角形面积的比等于相似比的平方,于是可表示出△OB'F的面积为3/2(1-t)²,所以求出此时的S=3/2-3/2(1-t)²=-3/2t² 3t;
第二个阶段,完全没入四边形内
此时1≤t≤3/2,如下图:
当点C'到达边AD时,将y=3代入直线AD的解析式中,求得x=-3/2,即当t=3/2时抵达,此时重合部分面积S=3/2;
第三个阶段,部分移出四边形
随着t的增加,三角形部分移出四边形,直到停止,仍然有一部分在四边形内部,此时3/2<t≤3,如下图:
此时重合部分是一个四边形,新出现的点G和H坐标可表示出来,将x=-t代入AD的解析式得到G(-t,-2t 6),联立直线AD和直线B'C'得到H点横坐标为-3/5t-3/5,它可用来表示△C'GH的高,我们可得到C'G=2t-3,△C'GH的高为2t/5-3/5,现在我们可以来表示重合部分面积了,S=3/2-1/2(2t-3)(2t/5-3/5),整理后为S=-2t²/5 6t/5 3/5;
(3)点F在对称轴上,因此它的横坐标是-1,可设F(-1,f),点M(m,n)中,n=-m²-2m 3,我们先表示出ME和MF
ME=9/2-n,MF=ME-1/4=17/4-n
由两点距离公式,我们有MF²=(m 1)² (n-f)²
推导如下:
这显然没法求解,两个参数m和f,又是高次多项式,此时我们需要再读一遍题目中的要求,对于任意一点M,存在一点F,即对于上式中的任意m值,存在一个f值满足它。
再联想到0·x=0相关的知识,我们整理上式,使其成为一个按m降幂排列的多项式,如下:
在上式中,我们可观察二次项系数,一次项系数,常数项中,均含4f-15,即当f=15/4时,无论m取何值,恒成立,所以存在点F(-1,15/4);
而另一个比较取巧的方法就是,既然对于任意点M,存在一点F,不妨将点M取抛物线上的特殊点,而哪个点最特殊呢?顶点。
当点M取(-1,4)之后,我们也能很快求出F(-1,15/4),只是这种方法需要再验证一下任意点M时,ME-MF=1/4;
解题反思
学生在解这道题时,可能遇到的最大困惑在于,面对一个含两个参数,又无法求解的多项式时,会有一点点懵,显然这类多项式并不是用来求解的,而是用于观察的,如何观察?就要看怎么理解任意点与存在一点。
而使用特殊值法,也是解决此类问题的捷径之一,既然题目中说了任意点,那当然也包括特殊点,利用特殊值求出结果,反过来再进行验证,是可行的。
当然,利用高中圆锥曲线焦点与准线求解也很容易。
函数问题的解决,原本也是数形结合的思想,任意点与任意值,存在一点与存在一个解,在本质上是相通的,在平时的教学中,并未涉及这么深,只能“点到即止”,而成功解出此题的学生,显然不会满足于课堂教学那点传授,需要更深入的理解,而压轴题,对平时爱钻研的学生,是福音。
雪浪纸
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