二次函数与线段、周长的最值(解析版)

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九年级数学下册解法技巧思维培优
专题07 二次函数与线段、周长的最值
【典例1】(2019•永州)如图1,抛物线的顶点A的坐标为(1,4),抛物线与x轴相交于B、C两点,与y轴交于点E(0,3).
(1)求抛物线的表达式;
(2)已知点F(0,﹣3),在抛物线的对称轴上是否存在一点G,使得EG+FG最小,如果存在,求出点G的坐标;如果不存在,请说明理由.
(3)如图2,连接AB,若点P是线段OE上的一动点,过点P作线段AB的垂线,分别与线段AB、抛物线相交于点M、N(点M、N都在抛物线对称轴的右侧),当MN最大时,求△PON的面积.
【点拨】(1)根据顶点式可求得抛物线的表达式;
(2)根据轴对称的最短路径问题,作E关于对称轴的对称点E',连接E'F交对称轴于G,此时EG+FG 的值最小,先求E'F的解析式,它与对称轴的交点就是所求的点G;
(3)如图2,先利用待定系数法求AB的解析式为:y=﹣2x+6,设N(m,﹣m2+2m+3),则Q(m,﹣2m+6),(0≤m≤3),表示NQ=﹣m2+4m﹣3,证明△QMN∽△ADB,列比例式可得MN的表达式,根据配方法可得当m=2时,MN有最大值,证明△NGP∽△ADB,同理得PG的长,从而得OP的长,根据三角形的面积公式可得结论,并将m=2代入计算即可.
【解析】解:(1)设抛物线的表达式为:y=a(x﹣1)2+4,
把(0,3)代入得:3=a(0﹣1)2+4,
a=﹣1,
∴抛物线的表达式为:y=﹣(x﹣1)2+4=﹣x2+2x+3;
(2)存在,
如图1,作E关于对称轴的对称点E',连接E'F交对称轴于G,此时EG+FG的值最小,∵E(0,3),
∴E'(2,3),
易得E'F的解析式为:y=3x﹣3,
当x=1时,y=3×1﹣3=0,
∴G(1,0)
(3)如图2,∵A(1,4),B(3,0),
易得AB的解析式为:y=﹣2x+6,
过N作NH⊥x轴于H,交AB于Q,
设N(m,﹣m2+2m+3),则Q(m,﹣2m+6),(1<m<3),
∴NQ=(﹣m2+2m+3)﹣(﹣2m+6)=﹣m2+4m﹣3,
∵AD∥NH,
∴∠DAB=∠NQM,
∵∠ADB=∠QMN=90°,
∴△QMN∽△ADB,
∴QN
MN =
AB
BD

∴−m 2+4m−3MN
=2√52, ∴MN =−
√55(m ﹣2)2+√55, ∵−√55<0,
∴当m =2时,MN 有最大值;
过N 作NG ⊥y 轴于G ,
∵∠GPN =∠ABD ,∠NGP =∠ADB =90°,
∴△NGP ∽△ADB ,
∴PG NG =
BD AD =24=12, ∴PG =12NG =12m ,
∴OP =OG ﹣PG =﹣m 2+2m +3−12m =﹣m 2+32m +3,
∴S △PON =12OP •GN =12(﹣m 2+32m +3)•m ,
当m =2时,S △PON =12×2(﹣4+3+3)=2.
(方法2:根据m 的值计算N 的坐标为(2,3),与E 是对称点,连接EN ,同理得:EP =12EN =1,则OP =2,根据面积公式可得结论).
【典例2】(2019•福田区期末)如图,抛物线y=ax2+bx+c(a≠0),经过点A(﹣1,0),B(3,0),C(0,﹣3)三点.
(1)求抛物线的解析式及顶点M的坐标;
(2)连接AC、BC,N为抛物线上的点且在第一象限,当S△NBC=S△ABC时,求N点的坐标;
(3)在(2)问的条件下,过点C作直线l∥x轴,动点P(m,﹣3)在直线l上,动点Q(m,0)在x 轴上,连接PM、PQ、NQ,当m为何值时,PM+PQ+QN的和最小,并求出PM+PQ+QN和的最小值.
【点拨】(1)将点A、B、C坐标代入解析式,解关于a、b、c的方程组可得函数解析式,配方成顶点式即可得点M坐标;
(2)过点A作AN∥BC交抛物线于点N,则有S△BCN=S△ABC,求出直线AN的解析式,构建方程组求出交点坐标即可;
(3)将顶点M(1,﹣4)向下平移3个单位得到点M′(1,﹣1),连接M′N交x轴于点Q,连接PQ,此时M′、Q、N三点共线时,PM+PQ+QN=M′Q+PQ+QN取最小值,由点M′、N坐标求得直线M′N的解析式,即可求得点Q的坐标,据此知m的值,过点N作NE∥x轴交MM′延长线于点E,可得M′
E=6、NE=3、M′N=3√5,即M′Q+QN=3√5,据此知m=3
2时,PM+PQ+QN的最小值为3√5+3;
【解析】解:(1)∵抛物线y=ax2+bx+c(a≠0)经过点A(﹣1,0),B(3,0),C(0,﹣3),
∴{a−b+c=0
9a+3b+c=0 c=−3

解得:{a =1b =−2
, ∴y =x 2﹣2x ﹣3=(x ﹣1)2﹣4,
则抛物线的顶点M 坐标为(1,﹣4);
(2)设直线BC 解析式y =mx +n ,
将点B (3,0)、C (0,﹣3)代入,得:
{3m +n =0n =−3
解得:{m =1n =−3
, 则直线BC 解析式为y =x ﹣3,
过点A 作AN ∥BC 交抛物线于点N ,则有S △BCN =S △ABC .
则直线AN 的解析式为y =x +p ,
将点A (﹣1,0)代入,得:﹣1+p =0,
解得:p =1,
∴直线AN 解析式为y =x +1,
由 {y =x +1y =x 2−2x −3
解得{x =−1y =0 或{x =4y =5, ∴点N 坐标为(4,5);
(3)将顶点M (1,﹣4)向上平移3个单位得到点M ′(1,﹣1),连接M ′N 交x 轴于点Q ,连接PQ ,
则MM ′=3,
∵P (m ,﹣3)、Q (m ,0),
∴PQ ⊥x 轴,且PQ =OC =3,
∴PQ ∥MM ′,且PQ =MM ′,
∴四边形MM ′QP 是平行四边形,
∴PM =QM ′,
由作图知当M ′、Q 、N 三点共线时,PM +PQ +QN =M ′Q +PQ +QN 取最小值,
设直线M ′N 的解析式为y =k 2x +b 2(k 2≠0),
将点M ′(1,﹣1)、N (4,5)代入,得:{k 2+b 2=−14k 2+b 2=5
, 解得:{k =2b =−3

∴直线M′N的解析式为y=2x﹣3,
当y=0时,x=3 2,
∴Q(3
2
,0),即m=
3
2
此时过点N作NE∥x轴交MM′延长线于点E,
在Rt△M′EN中,∵M′E=5﹣(﹣1)=6,NE=4﹣1=3,∴M′N=√32+62=3 √5,
∴M′Q+QN=3 √5,
∴当m=3
2时,PM+PQ+QN的最小值为3√5+3.
【典例3】(2019•霍林郭勒市期末)如图1,抛物线y=﹣x2+mx+n交x轴于点A(﹣2,0)和点B,交y 轴于点C(0,2).
(1)求抛物线的函数表达式;
(2)若点M在抛物线上,且S△AOM=2S△BOC,求点M的坐标;
(3)如图2,设点N是线段AC上的一动点,作DN⊥x轴,交抛物线于点D,求线段DN长度的最大值.
【点拨】(1)把A(﹣2,0),C(0,2)代入抛物线的解析式求解即可;
(2)由(1)知,该抛物线的解析式为y=﹣x2﹣x+2,则易得B(1,0).然后依据S△AOM=2S△BOC列
方程求解即可;
(3)设直线AC 的解析式为y =kx +t ,将A (﹣2,0),C (0,2)代入可求得直线AC 的解析式,设N 点坐标为(x ,x +2),(﹣2≤x ≤0),则D 点坐标为(x ,﹣x 2﹣x +2),然后列出ND 与x 的函数关系式,最后再利用配方法求解即可.
【解析】解:(1)A (﹣2,0),C (0,2)代入抛物线的解析式y =﹣x 2+mx +n ,
得{−4−2m +n =0n =2,解得{m =−1n =2
, ∴抛物线的解析式为y =﹣x 2﹣x +2.
(2)由(1)知,该抛物线的解析式为y =﹣x 2﹣x +2,则易得B (1,0),设M (m ,n )然后依据S △AOM =2S △BOC 列方程可得:
12•AO ×|n |=2×12×OB ×OC ,
∴12×2×|﹣m 2﹣m +2|=2,
∴m 2+m =0或m 2+m ﹣4=0,
解得x =0或﹣1或−1±√172
, ∴符合条件的点M 的坐标为:(0,2)或(﹣1,2)或(−1+√172,﹣2)或(−1−√172,﹣2).
(3)设直线AC 的解析式为y =kx +b ,将A (﹣2,0),C (0,2)代入
得到{−2k +b =0b =2,解得{k =1b =2
, ∴直线AC 的解析式为y =x +2,
设N (x ,x +2)(﹣2≤x ≤0),则D (x ,﹣x 2﹣x +2),
ND =(﹣x 2﹣x +2)﹣(x +2)=﹣x 2﹣2x =﹣(x +1)2+1,
∵﹣1<0,
∴x=﹣1时,ND有最大值1.
∴ND的最大值为1.
【典例4】(2019•孝义市期末)综合与探究
如图,在平面直角坐标系中,直线y=x﹣4分别与x轴,y轴交于点A和点C,抛物线y=ax2﹣3x+c经过A,C两点,并且与x轴交于另一点B.点D为第四象限抛物线上一动点(不与点A,C重合),过点D作DF⊥x轴,垂足为F,交直线AC于点E,连接BE.设点D的横坐标为m.
(1)求抛物线的解析式;
(2)当∠ECD=∠EDC时,求出此时m的值;
(3)点D在运动的过程中,△EBF的周长是否存在最小值?若存在,求出此时m的值;若不存在,请说明理由.
【点拨】(1)由直线y=x﹣4分别与x轴、y轴交于点A和点C都在抛物线上,则先求出A,C坐标,皆可满足y=ax2﹣3x+c.由y=ax2﹣3x+c中只有两个未知数,所以代入两点即可求系数a、c,则解析式可求;
(2)作辅助线,构建等腰直角三角形,证明△EHC是等腰直角三角形,根据解析式表示D和E的坐标,根据EC=ED列方程可解答;
(3)先确定BF+EF=AB,为定值,当BE最小,即BE⊥AC时,△BFE的周长最小,再由等腰直角三角形三线合一的性质得:BF=AF=2.5,可解答.
【解析】解:(1)在y =x ﹣4中,
当x =0时,y =﹣4;当y =0时,x =4.
∴A (4,0),C (0,﹣4)
把A (4,0),C (0,﹣4)代入y =ax 2﹣3x +c 中, 得{16a −12+c =0c =−4,解得{a =1c =−4
, ∴抛物线的解析式是y =x 2﹣3x ﹣4.
(2)如图1,过点E 作EH ⊥y 轴,垂足为H .
∵OA =OC =4,
∴∠OAC =∠ACO =45°,
∴∠HEC =∠HCE =45°.
∵点D (m ,m 2﹣3m ﹣4),E (m ,m ﹣4),
∴EH =HC =m ,ED =(m ﹣4)﹣(m 2﹣3m ﹣4)=﹣m 2+4m . ∴EC =√2m ,
∴当∠ECD =∠EDC 时,EC =ED .
∴√2m=−m2+4m,
解得m=0(舍去)或m=4−√2;
(3)存在.
∴点D为第四象限抛物线上一动点(不与点A,C重合),∴0<m<4,
在抛物线y=x2﹣3x﹣4中,
当y=0时,x2﹣3x﹣4=0,
解得x1=﹣1,x2=4,
∴点B坐标为(﹣1,0).
∵∠F AE=∠FEA=45°,
∴EF=AF.
设△BFE的周长为n,
则n=BF+FE+BE=BF+AF+BE=AB+BE,
∵AB的值不变,
∴当BE最小,即BE⊥AC时,△BFE的周长最小.
∵当BE⊥AC时,∠EBA=∠BAE=45°,
∴BE=AE,
∴BF=AF=2.5.
∴m=4﹣2.5=1.5时,△BEF的周长最小.
巩固练习
1.(2019•葫芦岛模拟)如图1,在平面直角坐标系xOy中,直线l:y=3
4
x+m与x轴、y轴分别交于点A
和点B(0,﹣1),抛物线y=1
2
x2+bx+c经过点B,且与直线l的另一个交点为C(4,n).
(1)求n的值和抛物线的解析式;
(2)点D在抛物线上,且点D的横坐标为t(0<t<4).DE∥y轴交直线l于点E,点F在直线l上,且四边形DFEG为矩形(如图2).若矩形DFEG的周长为p,求p与t的函数关系式以及p的最大值;(3)M是平面内一点,将△AOB绕点M沿逆时针方向旋转90°后,得到△A1O1B1,点A、O、B的对应点分别是点A1、O1、B1.若△A1O1B1的两个顶点恰好落在抛物线上,请直接写出点A1的横坐标.【点拨】(1)把点B的坐标代入直线解析式求出m的值,再把点C的坐标代入直线求解即可得到n的值,然后利用待定系数法求二次函数解析式解答;
(2)令y=0求出点A的坐标,从而得到OA、OB的长度,利用勾股定理列式求出AB的长,然后根据两直线平行,内错角相等可得∠ABO=∠DEF,再解直角三角形用DE表示出EF、DF,根据矩形的周长公式表示出p,利用直线和抛物线的解析式表示DE的长,整理即可得到P与t的关系式,再利用二次函数的最值问题解答;
(3)根据逆时针旋转角为90°可得A1O1∥y轴时,B1O1∥x轴,然后分①点O1、B1在抛物线上时,表示出两点的横坐标,再根据纵坐标相同列出方程求解即可;②点A1、B1在抛物线上时,表示出点B1的横坐标,再根据两点的纵坐标相差A1O1的长度列出方程求解即可.
【解析】解:(1)∵直线l:y=3
4x+m经过点B(0,﹣1),
∴m=﹣1,
∴直线l 的解析式为y =34x ﹣1,
∵直线l :y =34x ﹣1经过点C (4,n ),
∴n =34×4﹣1=2,
∵抛物线y =12x 2+bx +c 经过点C (4,2)和点B (0,﹣1),
∴{12×42+4b +c =2c =−1
, 解得{b =−54c =−1
, ∴抛物线的解析式为y =12x 2−54x ﹣1;
(2)令y =0,则34x ﹣1=0,
解得x =43,
∴点A 的坐标为(43
,0), ∴OA =43,
在Rt △OAB 中,OB =1,
∴AB =√OA 2+OB 2=√(43)2+12=53,
∵DE ∥y 轴,
∴∠ABO =∠DEF ,
在矩形DFEG 中,EF =DE •cos ∠DEF =DE •
OB AB =35DE , DF =DE •sin ∠DEF =DE •OA AB =45DE ,
∴p =2(DF +EF )=2(45+35
)DE =145DE , ∵点D 的横坐标为t (0<t <4),
∴D (t ,12t 2−54t ﹣1),E (t ,34
t ﹣1), ∴DE =(34t ﹣1)﹣(12t 2−54t ﹣1)=−12t 2+2t ,
∴p =145×(−12t 2+2t )=−75t 2+285t ,
∵p =−75(t ﹣2)2+285,且−75<0,
∴当t =2时,p 有最大值285;
(3)∵△AOB 绕点M 沿逆时针方向旋转90°,
∴A 1O 1∥y 轴时,B 1O 1∥x 轴,设点A 1的横坐标为x ,
①如图1,点O 1、B 1在抛物线上时,点O 1的横坐标为x ,点B 1的横坐标为x +1,
∴12x 2−54x ﹣1=12(x +1)2−54(x +1)﹣1, 解得x =34,
②如图2,点A 1、B 1在抛物线上时,点B 1的横坐标为x +1,点A 1的纵坐标比点B 1的纵坐标大43,
∴12x 2−54x ﹣1=12(x +1)2−54(x +1)﹣1+43, 解得x =−712
, 综上所述,点A 1的横坐标为34
或−712. 2.(2019•深圳)如图抛物线y =ax 2+bx +c 经过点A (﹣1,0),点C (0,3),且OB =OC .
(1)求抛物线的解析式及其对称轴;
(2)点D 、E 在直线x =1上的两个动点,且DE =1,点D 在点E 的上方,求四边形ACDE 的周长的最小值.
(3)点P 为抛物线上一点,连接CP ,直线CP 把四边形CBP A 的面积分为3:5两部分,求点P 的坐标.
【点拨】(1)OB =OC ,则点B (3,0),则抛物线的表达式为:y =a (x +1)(x ﹣3)=a (x 2﹣2x ﹣3)=ax 2﹣2ax ﹣3a ,即可求解;
(2)CD +AE =A ′D +DC ′,则当A ′、D 、C ′三点共线时,CD +AE =A ′D +DC ′最小,周长也最小,即可求解;
(3)S △PCB :S △PCA =12EB ×(y C ﹣y P ):12AE ×(y C ﹣y P )=BE :AE ,即可求解.
【解析】解:(1)∵OB =OC ,∴点B (3,0),
则抛物线的表达式为:y =a (x +1)(x ﹣3)=a (x 2﹣2x ﹣3)=ax 2﹣2ax ﹣3a ,
故﹣3a =3,解得:a =﹣1,
故抛物线的表达式为:y=﹣x2+2x+3…①,
函数的对称轴为:x=1;
(2)ACDE的周长=AC+DE+CD+AE,其中AC=√10、DE=1是常数,
故CD+AE最小时,周长最小,
取点C关于函数对称点C′(2,3),则CD=C′D,
取点A′(﹣1,1),则A′D=AE,
故:CD+AE=A′D+DC′,则当A′、D、C′三点共线时,CD+AE=A′D+DC′最小,周长也最小,
四边形ACDE的周长的最小值=AC+DE+CD+AE=√10+1+A′D+DC′=√10+1+A′C′=√10+ 1+√13;
(3)如图,设直线CP交x轴于点E,
直线CP把四边形CBP A的面积分为3:5两部分,
又∵S△PCB:S△PCA=1
2EB×(y C﹣y P):
1
2
AE×(y C﹣y P)=BE:AE,
则BE:AE,=3:5或5:3,
则AE =52或32, 即:点E 的坐标为(32,0)或(12,0), 将点E 、C 的坐标代入一次函数表达式:y =kx +3,
解得:k =﹣6或﹣2,
故直线CP 的表达式为:y =﹣2x +3或y =﹣6x +3…②
联立①②并解得:x =4或8(不合题意值已舍去),
故点P 的坐标为(4,﹣5)或(8,﹣45).
3.(2019•苏州模拟)如图1,抛物线y =ax 2+(a +2)x +2(a ≠0)与x 轴交于点A (4,0),与y 轴交于点B ,在x 轴上有一动点P (m ,0)(0<m <4),过点P 作x 轴的垂线交直线AB 于点N ,交抛物线于点M .
(1)求a 的值;
(2)若PN :MN =1:3,求m 的值;
(3)如图2,在(2)的条件下,设动点P 对应的位置是P 1,将线段OP 1绕点O 逆时针旋转得到OP 2,旋转角为α(0°<α<90°),连接AP 2、BP 2,求AP 2+32
BP 2的最小值. 【点拨】(1)把A 点坐标代入可得到关于a 的方程,可求得a 的值;
(2)由△OAB ∽△P AN 可用m 表示出PN ,且可表示出PM ,由条件可得到关于m 的方程,则可求得m 的值;
(3)在y 轴上取一点Q ,使OQ
OP 2=32,可证得△P 2OB ∽△QOP 2,则可求得Q 点坐标,则可把AP 2+32BP 2化为AP 2+QP 2,利用三角形三边关系可知当A 、P 2、Q 三点在一条线上时有最小值,则可求得答案.
【解析】解:
(1)∵A (4,0)在抛物线上,
∴0=16a +4(a +2)+2,解得a =−12;
(2)由(1)可知抛物线解析式为y =−12x 2+32x +2,令x =0可得y =2,
∴OB =2,
∵OP =m ,
∴AP =4﹣m ,
∵PM ⊥x 轴,
∴△OAB ∽△P AN ,
∴OB OA =
PN PA ,即24=PN 4−m , ∴PN =12(4﹣m ),
∵M 在抛物线上,
∴PM =−12m 2+32m +2,
∵PN :MN =1:3,
∴PN :PM =1:4,
∴−12m 2+32m +2=4×12(4﹣m ),
解得m =3或m =4(舍去);
(3)在y 轴上取一点Q ,使OQ
OP 2=32,如图,
由(2)可知P 1(3,0),且OB =2,
∴OQ
OP 2=OP 2OB =32,且∠P 2OB =∠QOP 2, ∴△P 2OB ∽△QOP 2,
∴QP 2
BP 2=32
, ∴当Q (0,92
)时QP 2=32BP 2, ∴AP 2+32BP 2=AP 2+QP 2≥AQ ,
∴当A 、P 2、Q 三点在一条线上时,AP 2+QP 2有最小值,
∵A (4,0),Q (0,92
), ∴AQ =√42+(92)2=√1452,即AP 2+32BP 2的最小值为√1452
. 4.(2019•张家界)已知抛物线y =ax 2+bx +c (a ≠0)过点A (1,0),B (3,0)两点,与y 轴交于点C ,OC =3.
(1)求抛物线的解析式及顶点D 的坐标;
(2)过点A 作AM ⊥BC ,垂足为M ,求证:四边形ADBM 为正方形;
(3)点P 为抛物线在直线BC 下方图形上的一动点,当△PBC 面积最大时,求点P 的坐标;
(4)若点Q为线段OC上的一动点,问:AQ+1
2QC是否存在最小值?若存在,求岀这个最小值;若不
存在,请说明理由.
【点拨】(1)函数的表达式为:y=a(x﹣1)(x﹣3)=a(x2﹣4x+3),即可求解;
(2)AM=MB=AB sin45°=√2=AD=BD,则四边形ADBM为菱形,而∠AMB=90°,即可求解;
(3)S△PBC=1
2PH×OB,即可求解;
(4)过点C作与y轴夹角为30°的直线CH,过点A作AH⊥CH,垂足为H,则HQ=1
2CQ,AQ+
1
2QC
最小值=AQ+HQ=AH,即可求解.
【解析】解:(1)函数的表达式为:y=a(x﹣1)(x﹣3)=a(x2﹣4x+3),即:3a=3,解得:a=1,
故抛物线的表达式为:y=x2﹣4x+3,
则顶点D(2,﹣1);
(2)∵OB=OC=3,∴∠OBC=∠OCB=45°,
AM=MB=AB sin45°=√2=AD=BD,
则四边形ADBM为菱形,而∠AMB=90°,
∴四边形ADBM为正方形;
(3)将点B 、C 的坐标代入一次函数表达式:y =mx +n 并解得:
直线BC 的表达式为:y =﹣x +3,
过点P 作y 轴的平行线交BC 于点H ,
设点P (x ,x 2﹣4x +3),则点H (x ,﹣x +3),
则S △PBC =12PH ×OB =32(﹣x +3﹣x 2+4x ﹣3)=32(﹣x 2+3x ),
∵−32<0,故S △PBC 有最大值,此时x =32,
故点P (32
,−34); (4)存在,理由:
如上图,过点C 作与y 轴夹角为30°的直线CH ,过点A 作AH ⊥CH ,垂足为H ,
则HQ =12CQ ,
AQ +12QC 最小值=AQ +HQ =AH ,
直线HC 所在表达式中的k 值为√3,直线HC 的表达式为:y =√3x +3…①
则直线AH 所在表达式中的k 值为−√33,
则直线AH 的表达式为:y =−√33x +s ,将点A 的坐标代入上式并解得:
则直线AH 的表达式为:y =−√33x +√33⋯②, 联立①②并解得:x =1−3√34
, 故点H (1−3√34,3+√34
),而点A (1,0), 则AH =3+√32
, 即:AQ +12QC 的最小值为
3+√32.。

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