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抛物线问题中的最佳“配角”

2021-12-29李长春特级教师

初中生世界 2021年47期
关键词:外接圆坐标轴过点

文/李长春(特级教师)

在精彩纷呈的初中数学大舞台上,45°的角一直扮演着重要的角色,虽是配角,但其常与作为主角的二次函数图像联袂演出一幕幕压轴大戏。众所周知,等腰直角三角形的底角为45°,因此,当题目中出现45°角时,我们往往要构建等腰直角三角形,将角相等转化为边相等,从而使问题迎刃而解。

一、借助坐标轴,构建等腰直角三角形

例1 如图1,抛物线y=a(x-m)2+n(a<0,m>0,n>0)交y轴于点P,点A为抛物线的顶点,设直线PA与y轴所夹的角为45°,当A为抛物线的顶点时,求am的值。

图1

【思路分析】如何用好条件中的“直线PA与y轴所夹的角为45°”是解题的关键,此时可根据45°角构造等腰直角三角形,结合抛物线顶点坐标表示出关键线段的长,借助线段之间的关系列出等式求解。

解:如图2,过点A作AH⊥y轴于H。

因为y=a(x-m)2+n=ax2-2amx+am2+n,所以P(0,am2+n)。

因为A(m,n),所以AH=m,OH=n。

图2

因为∠APH=45°,所以PH=AH=m。

由PH+OP=OH,得m+am2+n=n,即am2=-m,

又因为m>0,所以am=-1。

二、借助“一线三等角”,构建等腰直角三角形

例2 如图3,抛物线y=-x2+4x-3 与x轴交于点A、B,与y轴交于点C。Q为抛物线上一点,若∠ACQ=45°,求点Q的坐标。

图3

【思路分析】由45°角联想到等腰直角三角形,以AC为直角边在第四象限构造等腰直角三角形,借助直角坐标系的直角构造“一线三等角”,求得等腰直角三角形第三个顶点的坐标,最后再利用等腰直角三角形斜边所在的直线与抛物线的交点求得Q点的坐标。

解:对于y=-x2+4x-3,令y=0,易得x1=1,x2=3;再令x=0,得y=-3,所以OA=1,OB=OC=3。

图4

三、借助双垂图形,构建等腰直角三角形

图5

【思路分析】猜想∠ACB=90°,利用勾股定理的逆定理确认,继而得∠ACO=∠CBA,在x轴上取点E(2,0),连接CE,易得△OCE是等腰直角三角形,可得∠OCE=45°,进一步可推出∠ACE=∠CAQ,可得CE//PQ,然后利用待定系数法分别求出直线CE与PQ的函数表达式,再与抛物线的表达式联立,组成方程组,求解即可。

解:根据题意,得A(-1,0),B(4,0),C(0,2)。

因为AC2=12+22=5,BC2=22+42=20,AB2=25,

所以AC2+BC2=AB2,所以∠ACB=90°。

又因为∠ACO+∠CAO=∠CBA+∠CAO=90°,所以∠ACO=∠CBA。

图6

如图6,在x轴的正半轴上取点E(2,0),连接CE,则OC=OE=2,所以∠OCE=45°,

所以∠ACE=∠ACO+∠OCE=∠CBA+45°=∠CAQ,所以CE//PQ。

因为C(0,2),E(2,0),所以直线CE的表达式为y=-x+2,

设直线PQ的表达式为y=-x+n,把点A(-1,0)代入,可得n=-1,

所以直线PQ的表达式为y=-x-1。

因为点P是第四象限的点,所以点P的坐标是(6,-7)。

四、借助辅助圆,构建等腰直角三角形

图7

【思路分析】如何利用条件“∠AQM=45°”是解决此题的关键。因为∠AQM的两边与坐标轴不平行,所以无法直接运用这个条件。我们联想到“化斜为直”,试着构造△AQM的外接圆,利用“一条弧所对的圆周角等于它所对的圆心角的一半”,将45°的圆周角转化为90°的圆心角,得到一个直角边和坐标轴平行的、看起来令人舒服的等腰直角三角形,从而顺利打开思路,使问题迎刃而解。

如图8,过点A作AH⊥抛物线的对称轴于H,因为A(3,2),所以AH=MH=2,则H(1,2)。

图8

以点H为圆心,AH为半径作⊙H,因点H到y轴的距离为1,小于⊙H的半径2,所以⊙H与y轴相交,设其交点为Q,连接AQ、MQ、AM。

因为△AQM外接圆的圆心为H,所以QH=HA=HM=2。

过点H作HN⊥y轴于H,设Q(0,t)。

在Rt△HNQ中,由勾股定理,得HN2+QN2=HQ2,则12+(2-t)2=22,解得t1=2- 3,t2=2+ 3,

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