中考難點,二次函數背景下的正方形存在性問題

2021-01-09 中學數學精準輔導

引例

在平面直角坐標系中,A(1,1),B(4,3),在平面中求C、D使得以A、B、C、D為頂點的四邊形是正方形.

如圖,一共6個這樣的點C使得以A、B、C為頂點的三角形是等腰直角三角形.至於具體求點坐標,以C1為例,構造△AMB≌△C1NA,即可求得C1坐標.至於像C5、C6這兩個點的坐標,不難發現,C5是AC3或BC1的中點,C6是BC2或AC4的中點.

題無定法,具體問題還需具體分析,如上僅僅是大致思路.

問題與方法

作為特殊四邊形中最特殊的一位,正方形擁有更多的性質,因此坐標系中的正方形存在性問題變化更加多樣,從判定的角度來說,可以有如下:(1)有一個角為直角的菱形;(2)有一組鄰邊相等的矩形;(3)對角線互相垂直平分且相等的四邊形.依據題目給定的已知條件選擇恰當的判定方法,即可確定所求的點坐標.

常用處理方法

思路1:從判定出發,若已知菱形,則加有一個角為直角或對角線相等;若已知矩形,則加有一組鄰邊相等或對角線互相垂直;若已知對角線互相垂直或平分或相等,則加上其他條件.

思路2:構造三垂直全等

若條件並未給關於四邊形及對角線的特殊性,則考慮在構成正方形的4個頂點中任取3個,必是等腰直角三角形,若已知兩定點,則可通過構造三垂直全等來求得第3個點,再求第4個點.

分類與探究

從未知量的角度來說,正方形可以有4個「未知量」,因其點坐標滿足4個等量關係,考慮對角線性質,互相平分(2個)垂直(1個)且相等(1個).

比如在平面中若已知兩個定點,可以在平面中確定另外兩個點使得它們構成正方形,而如果要求在某條線上確定點,則可能會出現不存在的情況,即我們所說的未知量小於方程個數,可能無解.

從動點角度來說,關於正方形存在性問題可分為:(1)2個定點+2個全動點;(2)1個定點+2個半動點+1個全動點;甚至可以有:(3)4個半動點.

不管是哪一種類型,要明確的是一點,我們肯定不會列一個四元一次方程組求點坐標!

1.雙動點類

正方形的存在性問題在中考中出現得並不多,卻依然可以分「雙動點」、「三動點」、「四動點」等不用類型問題.對於「兩定兩動」問題,通常構造等腰直角三角形求第3點.

例1.(2015畢節中考題,有刪減)如圖,拋物線y=x2+bx+c與x軸交於A(-1,0),

B(3,0)兩點.

(1)求拋物線的解析式;

(2)是否存在過A、B兩點的拋物線,其頂點P關於x軸的對稱點為Q,使得四邊形APBQ為正方形?若存在,求出此拋物線的解析式;若不存在,請說明理由.

【解析】(1)拋物線:y=x^2-2x-3;

(2)已知A(-1,0)、B(3,0),故構造以AB為斜邊的等腰直角△APB,如下:

若四邊形APBQ是正方形,易得P點坐標為(1,2)或(1,-2),

當P點坐標為(1,2)時,易得拋物線解析式為y=-1/2(x-1)^2 +2;

當P點坐標為(1,-2)時,易得拋物線解析式為y=1/2(x-1)^2 - 2.

綜上所述,拋物線解析式為y=-1/2(x-1)+2或y=1/2(x-1)^2 -2.

【小結】看到兩個定點,不管題目如何描述第3個點的位置,均可通過構造等腰直角三角形確定第3個點,再求得第4個點.

例2.(2012通遼中考題)如圖,在平面直角坐標系中,將一個正方形ABCD放在第一象限斜靠在兩坐標軸上,且點A(0,2)、點B(1,0),拋物線y=ax2-ax-2經過點C.

(1)求點C的坐標;

(2)求拋物線的解析式;

(3)在拋物線上是否存在點P與點Q(點C、D除外)使四邊形ABPQ為正方形?若存在求出點P、Q兩點坐標,若不存在說明理由.

【解析】(1)C(3,1);

(2)拋物線:y=1/2x2-1/2x-2;

(3)考慮A、B、P構成等腰直角三角形且∠B為直角,故可作出點P如下:

構造三垂直全等:△AMB≌△BNP,即可求得P點坐標為(-1,-1),將點P代入拋物線解析式,成立,即點P在拋物線上.根據點P構造點Q,通過點的平移易得點Q坐標為(-2,1),代入拋物線解析式,成立,即點Q也在拋物線上,故存在,點P坐標為(-1,-1),點Q坐標為(-2,1).

【小結】本題數據設計得巧妙,因為A、B為已知點,故由A、B可確定點P且恰好在拋物線上,由A、B、P確定的點D恰好也在拋物線上,故存在這樣的一組P、Q,當然若適當調整數據,則答案完全可以變成不存在.

2.三動點類

若出現四動點,則通常四邊形具有一定的特殊性,從已知條件出發,分析還需滿足的其他條件,通常列關於邊或對角線方程得解.

例3.(2017雅安中考題)如圖,已知拋物線y=x2+bx+c的圖像經過點A(1,0),B(-3,0),與y軸交於點C,拋物線的頂點為D,對稱軸與x軸相交於點E,連接BD.

(1)求拋物線的解析式.

(2)若點P在直線BD上,當PE=PC時,求點P的坐標.

(3)在(2)的條件下,作PF⊥x軸於F,點M為x軸上一動點,點N為直線PF上一動點,G為拋物線上一動點,當以點F、N、G、M四點為頂點的四邊形為正方形時,求點M的坐標.

例4.(2017棗莊中考題,有刪減)

如圖,拋物線y=-1/2x2+bx+c與x軸交於點A和點B,與y軸交於點C,點B坐標為(6,0),點C坐標為(0,6),點D是拋物線的頂點,過點D作x軸的垂線,垂足為E,連接BD.

(1)求拋物線的解析式及點D的坐標;

(2)若點M是拋物線上的動點,過點M作MN∥x軸與拋物線交於點N,點P在x軸上,點Q在坐標平面內,以線段MN為對角線作正方形MPNQ,請寫出點Q的坐標.

思路總結:像這樣的三動點問題,通常四邊形的邊或對角線總有一個與坐標軸平行,可採用鄰邊相等或對角線相等確定正方形.若邊與坐標軸平行,則對角線與x軸夾角為45°,反之亦成立,可求得對角線或邊的解析式,聯立方程求得點坐標,也不失為一種簡便方法.

3.四動點類

當有4個動點時,其實思路與三動點無異,只是計算略難略難。

例5(2018南充中考題,有刪減)如圖,拋物線頂點P(1,4),與y軸交於點C(0,3),與x軸交於點A,B.

(1)求拋物線的解析式.

(2)若M、N為拋物線上兩個動點,分別過點M、N作直線BC的垂線段,垂足分別為D、E.是否存在點M、N使四邊形MNED為正方形?如果存在,求正方形MNED的邊長;如果不存在,請說明理由.

【小結】其實只要能將計算進行下去,在已知矩形的前提下,無論選邊還是選對角線,都能解決問題.思路1中考慮M、N兩個點均未知,設一點,求一點,再代入解析式求解.思路2中充分利用該四邊形位置來求邊長.

反思總結:

構造三垂直全等的思路僅適合已知「兩定兩動」的情形,若有3個或4個動點,則考慮從矩形的判定出發,觀察該四邊形是否已為某特殊四邊形,考證還需滿足的其他關係.

通過此題,我們不難歸納存在性題目的解題套路:

1.分析特徵:分析背景圖形中的定點、定線及不變量(共有量)等特徵,結合圖形間的對應關係及不變特徵考慮分類。

2.畫圖求解:

①目標三角形確定時,構造三垂直全等或根據正方形的判定,藉助邊相等、角相等列方程求解;

②目標三角形不確定時,先從對應關係入手,再結合背景中的不變特徵分析,綜合考慮邊、角的對應相等和不變特徵後列方程求解。

3.結果驗證:回歸點的運動範圍,畫圖或推理,驗證結果。

(文章部分內容引用劉嶽 有一點數學的文章,若不當留言,及時刪除

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