二次函数压轴题最短路径问题.docx
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二次函数压轴题最短路径问题
最短路径问题——和最小
【方法说明】
“和最小”问题常见的问法是,在一条直线上面找一点,使得这个点与两个定点距离的和最小(将军饮马问题).如图所示,在直线l上找一点P使得PA+PB最小.当点P为直线AB′与直线l的交点时,PA+PB最小.
【方法归纳】
①如图所示,在直线l上找一点B使得线段AB最小.过点A作AB⊥l,垂足为B,则线段AB即为所求.
②如图所示,在直线l上找一点P使得PA+PB最小.过点B作关于直线l的对称点B′,BB′与直线l交于点P,此时PA+PB最小,则点P即为所求.
③如图所示,在∠AOB的边AO,BO上分别找一点C,D使得PC+CD+PD最小.过点P分别作关于AO,BO的对称点E,F,连接EF,并与AO,BO分别交于点C,D,此时PC+CD+PD最小,则点C,D即为所求.
④如图所示,在∠AOB的边AO,BO上分别找一点E,F使得DE+EF+CF最小.分别过点C,D作关于AO,BO的对称点D′,C′,连接D′C′,并与AO,BO分别交于点E,F,此时DE+EF+CF最小,则点E,F即为所求.
⑤如图所示,长度不变的线段CD在直线l上运动,在直线l上找到使得AC+BD最小的CD的位置.分别过点A,D作AA′∥CD,DA′∥AC,AA′与DA′交于点A′,再作点B关于直线l的对称点B′,连接A′B′与直线l交于点D′,此时点D′即为所求.
⑥如图所示,在平面直角坐标系中,点P为抛物线(y=x2)上的一点,点A(0,1)在y轴正半轴.点P在什么位置时PA+PB最小?
过点B作直线l:
y=-1的垂线段BH′,BH′与抛物线交于点P′,此时PA+PB最小,则点P即为所求.
【典型例题】
1.(13广东)已知二次函数y=x2-2mx+m2-1.
(1)当二次函数的图象经过坐标原点O(0,0)时,求二次函数的解析式;
(2)如图,当m=2时,该抛物线与y轴交于点C,顶点为D,求C、D两点的坐标;
(3)在
(2)的条件下,x轴上是否存在一点P,使得PC+PD最短?
若P点存在,求出P点的坐标;若P点不存在,请说明理由.
【思路点拨】
(1)由二次函数的图象经过坐标原点O(0,0),直接代入求出m的值即可;
(2)把m=2代入求出二次函数解析式,令x=0,求出y的值,得出点C的坐标;利用配方法或顶点坐标公式求出顶点坐标即可;
(3)根据当P、C、D共线时根据“两点之间,线段最短”得出PC+PD最短,求出CD的直线解析式,令y=0,求出x的值,即可得出P点的坐标.
【解题过程】
解:
(1)∵二次函数的图象经过坐标原点O(0,0),
∴代入二次函数y=x2-2mx+m2-1,得出:
m2-1=0,解得:
m=±1,
∴二次函数的解析式为:
y=x2-2x或y=x2+2x;
(2)∵m=2,∴二次函数y=x2-2mx+m2-1得:
y=x2-4x+3=(x-2)2-1,
∴抛物线的顶点为:
D(2,-1),
当x=0时,y=3,∴C点坐标为:
(0,3),∴C(0,3)、D(2,-1);
(3)当P、C、D共线时PC+PD最短,
【方法一】
∵C(0,3)、D(2,-1),
设直线CD的解析式为y=kx+3,代入得:
2k+3=-1,∴k=-2,∴y=-2x+3,
当y=0时,-2x+3=0,解得x=,∴PC+PD最短时,P点的坐标为:
P(,0).
【方法二】
过点D作DE⊥y轴于点E,
∵PO∥DE,∴=,∴=,解得:
PO=,
∴PC+PD最短时,P点的坐标为:
P(,0).
2.(11菏泽)如图,抛物线y=x2+bx﹣2与x轴交于A,B两点,与y轴交于C点,且A(﹣1,0).
(1)求抛物线的解析式及顶点D的坐标;
(2)判断△ABC的形状,证明你的结论;
(3)点M(m,0)是x轴上的一个动点,当MC+MD的值最小时,求m的值.
【思路点拨】
(1)把点A的坐标代入求出b的值,即可得出抛物线的解析式,通过配方法即可求出顶点D的坐标;
(2)观察发现△ABC是直角三角形,可以通过勾股定理的逆定理证明.由抛物线的解析式,分别求出点B,C的坐标,再得出AB,AC,BC的长度,易得AC2+BC2=AB2,得出△ABC是直角三角形;
(3)作出点C关于x轴的对称点C′,连接C'D交x轴于点M,根据“两点之间,线段最短”可知MC+MD的值最小.求出直线C'D的解析式,即可得出点M的坐标,进而求出m的值.
【解题过程】
解:
(1)∵点A(-1,0)在抛物线y=x2+bx-2上,∴×(-1)2+b×(-1)-2=0,解得b=-,
∴抛物线的解析式为y=x2-x-2=(x-)2-,∴顶点D的坐标为(,-).
(2)当x=0时y=-2,∴C(0,-2),OC=2.
当y=0时,x2-x-2=0,∴x1=-1,x2=4,∴B(4,0),∴OA=1,OB=4,AB=5.
∵AB2=25,AC2=OA2+OC2=5,BC2=OC2+OB2=20,∴AC2+BC2=AB2.
∴△ABC是直角三角形.
(3)作出点C关于x轴的对称点C′,则C′(0,2),OC′=2,
连接C′D交x轴于点M,根据轴对称性及两点之间线段最短可知,MC+MD的值最小.
【方法一】
设直线C′D的解析式为y=kx+n,则,解得:
.∴y=-x+2.
∴当y=0时,-x+2=0,x=.∴m=.
【方法二】
设抛物线的对称轴交x轴于点E.
∵ED∥y轴,∴∠OC′M=∠EDM,∠C′OM=∠DEM,∴△C′OM∽△DEM.
∴=,∴=,∴m=.
3.(11福州)已知,如图,二次函数y=ax2+2ax﹣3a(a≠0)图象的顶点为H,与x轴交于A、B两点(B在A点右侧),点H、B关于直线l:
y=x+对称.
(1)求A、B两点坐标,并证明点A在直线l上;
(2)求二次函数解析式;
(3)过点B作直线BK∥AH交直线l于K点,M、N分别为直线AH和直线l上的两个动点,连接HN、NM、MK,求HN+NM+MK和的最小值.
【思路点拨】
(1)二次函数y=ax2+2ax﹣3a(a≠0)中只有一个未知参数a,令y=0,解出方程ax2+2ax﹣3a=0(a≠0),即可得到点A,B的坐标.把点A的坐标代入直线l的解析式即可判断A是否在直线上;
(2)根据点H、B关于过A点的直线l:
y=x+对称,得出AH=AB=4,过顶点H作HC⊥AB交AB于C点,得AC=AB=2,利用勾股定理求出HC的长,即可得出点H的坐标,代入二次函数解析式,求出a,即可得到二次函数解析式;
(3)直线BK∥AH易得直线BK的解析式,联立直线l的解析式方程组,即可求出K的坐标.因为点H,B关于直线AK对称,所以HN=BN,所以根据“两点之间,线段最短”得出HN+MN的最小值是MB.作点K关于直线AH的对称点Q,连接QK,交直线AH于E,所以QM=KM,易得BM+MK的最小值为BQ,即BQ的长是HN+NM+MK的最小值,求出QB的长即可.
【解题过程】
解:
(1)依题意,得ax2+2ax﹣3a=0(a≠0),解得x1=﹣3,x2=1,
∵B点在A点右侧,∴A点坐标为(﹣3,0),B点坐标为(1,0),
∵直线l:
y=x+,当x=﹣3时,y=×(-3)+=0,∴点A在直线l上.
(2)∵点H、B关于过A点的直线l:
y=x+对称,∴AH=AB=4,
过顶点H作HC⊥AB交AB于C点,则AC=AB=2,HC=2,
∴顶点H(-1,2),代入二次函数解析式,解得a=-,
∴二次函数解析式为y=-x2-x+,
(3)直线AH的解析式为y=x+3,直线BK的解析式为y=x+3,
由
,解得,即K(3,2),则BK=4,
∵点H、B关于直线AK对称,
∴HN+MN的最小值是MB,KD=KE=2,
过点K作直线AH的对称点Q,连接QK,交直线AH于E,则QM=MK,QE=EK=2,AE⊥QK,
∴BM+MK的最小值是BQ,即BQ的长是HN+NM+MK的最小值,
∵BK∥AH,∴∠BKQ=∠HEQ=90°,由勾股定理得QB=8,
∴HN+NM+MK的最小值为8.
4.(14海南)如图,对称轴为直线x=2的抛物线经过A(-1,0),C(0,5)两点,与x轴另一交点为B.已知M(0,1),E(a,0),F(a+1,0),点P是第一象限内的抛物线上的动点.
(1)求此抛物线的解析式;
(2)当a=1时,求四边形MEFP的面积的最大值,并求此时点P的坐标;
(3)若△PCM是以点P为顶点的等腰三角形,求a为何值时,四边形PMEF周长最小?
请说明理由.
【思路点拨】
(1)由对称轴为直线x=2,可以得出顶点横坐标为2,设二次函数的解析式为y=a(x-2)2+k,再把点A,B的代入即可求出抛物线的解析式;
(2)求四边形MEFP的面积的最大值,要先表示出四边形MEFP面积.直接求不好求,可以考虑用割补法来求,过点P作PN⊥y轴于点N,由S四边形MEFP=S梯形OFPN-S△PMN-S△OME即可得出;
(3)四边形PMEF的四条边中,线段PM,EF长度固定,当ME+PF取最小值时,四边形PMEF的周长取得最小值.将点M向右平移1个单位长度(EF的长度),得到点M1(1,1),作点M1关于x轴的对称点M2(1,-1),连接PM2,与x轴交于F点,此时ME+PF=PM2最小.
【解题过程】
解:
(1)∵对称轴为直线x=2,∴设抛物线解析式为y=a(x-2)2+k.
将A(-1,0),C(0,5)代入得:
,解得,
∴y=-(x-2)2+9=-x2+4x+5.
(2)当a=1时,E(1,0),F(2,0),OE=1,OF=2.设P(x,-x2+4x+5),
如答图2,过点P作PN⊥y轴于点N,则PN=x,ON=-x2+4x+5,
∴MN=ON-OM=-x2+4x+4.
S四边形MEFP=S梯形OFPN-S△PMN-S△OME=(PN+OF)•ON-PN•MN-OM•OE
=(x+2)(-x2+4x+5)-x•(-x2+4x+4)-×1×1
=-x2+x+
=-(x-)2+
∴当x=时,四边形MEFP的面积有最大值为,此时点P坐标为(,).
(3)∵M(0,1),C(0,5),△PCM是以点P为顶点的等腰三角形,∴点P的纵坐标为3.
令y=-x2+4x+5=3,解得x=2±.∵点P在第一象限,∴P(2+,3).
四边形PMEF的四条边中,PM、EF长度固定,
因此只要ME+PF最小,则PMEF的周长将取得最小值.
如答图3,将点M向右平移1个单位长度(EF的长度),得M1(1,1);
作点M1关于x轴的对称点M2,则M2(1,-1);
连接PM2,与x轴交于F点,此时ME+PF=PM2最小.
设直线PM2的解析式为y=mx+n,将P(2+,3),M2(1,-1)代入得:
,解得:
m=,n=,∴y=x-.
当y=0时,解得x=.∴F(,0).∵a+1=,∴a=.
∴a=时,四边形PMEF周长最小.
图1图2
2.(14福州)如图,抛物线y=(x3)21与x轴交于A,B两点(点A在点B的左侧),与y轴交于点C,顶点为D了.
(1)求点A,B,D的坐标;
(2)连接CD,过原点O作OE⊥CD,垂足为H,OE与抛物线的对称轴交于点E,连接AE,AD.求证:
∠AEO=∠ADC;
(3)以
(2)中的点E为圆心,1为半径画圆,在对称轴右侧的抛物线上有一动点P,过点P作⊙E的切线,切点为Q,当PQ的长最小时,求点P的坐标,并直接写出点Q的坐标.
【思路点拨】
(1)由顶点式直接得出点D的坐标,再令y=0,得(x3)21=0解出方程,即可得出点A,B的坐标;
(2)设HD与AE相交于点F,可以发现△HEF与△ADF组成一个“8字型”.对顶角∠HFE=∠AFD,只要∠FHE=∠FAD即可.因为∠EHF=90°,只需证明∠EAD=90°即可.由勾股定理的逆定理即可得出△ADE为直角三角形,得∠FHE=∠FAD=90°即可得出结论;
(3)先画出图形.因为PQ为⊙E的切线,所以△PEQ为直角三角形,半径EQ长度不变,当斜边PE最小时,PQ的长度最小.设出点P的坐标,然后表示出PE,求出PE的最小值,得到点P的坐标,再求出点Q的坐标即可.
【解题过程】
解:
(1)顶点D的坐标为(3,1).令y=0,得(x3)21=0,解得x1=3+,x2=3.
∵点A在点B的左侧,∴A点坐标(3,0),B点坐标(3,0).
(2)过D作DG⊥y轴,垂足为G.则G(0,1),GD=3.令x=0,则y=,∴C点坐标为(0,).
∴GC=
(1)=.设对称轴交x轴于点M.∵OE⊥CD,∴∠GCD+∠COH=90.
∵∠MOE+∠COH=90,∴∠MOE=∠GCD.又∵∠CGD=∠OMN=90,∴△DCG∽△EOM.
∴=,即=.∴EM=2,即点E坐标为(3,2),ED=3.
由勾股定理,得AE2=6,AD2=3,∴AE2+AD2=6+3=9=ED2.
∴△AED是直角三角形,即∠DAE=90.
设AE交CD于点F.∴∠ADC+∠AFD=90.又∵∠AEO+∠HFE=90,
∴∠AFD=∠HFE,∴∠AEO=∠ADC.
(3)由⊙E的半径为1,根据勾股定理,得PQ2=EP2-1.
要使切线长PQ最小,只需EP长最小,即EP2最小.
设P坐标为(x,y),由勾股定理,得EP2=(x-3)2+(y-2)2.
∵y=(x-3)2-1,∴(x-3)2=2y+2.∴EP2=2y+2+y2-4y+4=(y-1)2+5.
当y=1时,EP2最小值为5.把y=1代入y=(x-3)2-1,得(x-3)21=1,解得x1=1,x2=5.
又∵点P在对称轴右侧的抛物线上,∴x1=1舍去.∴点P坐标为(5,1).
此时Q点坐标为(3,1)或(,).
6.(14遂宁)已知:
直线l:
y=﹣2,抛物线y=ax2+bx+c的对称轴是y轴,且经过点(0,﹣1),(2,0).
(1)求该抛物线的解析式;
(2)如图①,点P是抛物线上任意一点,过点P作直线l的垂线,垂足为Q,求证:
PO=PQ.
(3)请你参考
(2)中结论解决下列问题:
(i)如图②,过原点作任意直线AB,交抛物线y=ax2+bx+c于点A、B,分别过A、B两点作直线l的垂线,垂足分别是点M、N,连结ON、OM,求证:
ON⊥OM.
(ii)已知:
如图③,点D(1,1),试探究在该抛物线上是否存在点F,使得FD+FO取得最小值?
若存在,求出点F的坐标;若不存在,请说明理由.
【思路点拨】
(1)因为抛物线的对称轴是y轴,所以b=0,再代入点(0,﹣1),(2,0)即可求出抛物线的解析式;
(2)由
(1)设出P的坐标,分别表示出PE,PQ的长度,即可得出结论;
(3)(i)因为BN∥AM,所以∠ABN+∠BAM=180°.由
(2)的结论可得BO=BN,AO=AM,可得出∠BON=∠BNO,∠AOM=∠AMO,易得∠BON+∠AOM=90°再得到∠MON=90°即可;
(ii)如图③,作F′H⊥l于H,DF⊥l于G,交抛物线与F,作F′E⊥DG于E,由
(2)的结论根据矩形的性质可以得出结论.
【解题过程】
解:
(1)由题意,得,解得:
,∴抛物线的解析式为:
y=x2-1;
(2)如图①,设P(a,a2﹣1),就有OE=a,PE=a2﹣1,∵PQ⊥l,∴EQ=2,∴QP=a2+1.
在Rt△POE中,由勾股定理,得PO==a2+1,∴PO=PQ;
(3)(i)如图②,∵BN⊥l,AM⊥l,∴BN=BO,AM=AO,BN∥AM,
∴∠BNO=∠BON,∠AOM=∠AMO,∠ABN+∠BAM=180°.
∵∠BNO+∠BON+∠NBO=180°,∠AOM+∠AMO+∠OAM=180°,
∴∠BNO+∠BON+∠NBO+∠AOM+∠AMO+∠OAM=360°,∴2∠BON+2∠AOM=180°,
∴∠BON+∠AOM=90°,∴∠MON=90°,∴ON⊥OM;
(ii)如图③,作F′H⊥l于H,DF⊥l于G,交抛物线与F,作F′E⊥DG于E,
∴∠EGH=∠GHF′=∠F′EG=90°,FO=FG,F′H=F′O,
∴四边形GHF′E是矩形,FO+FD=FG+FD=DG,F′O+F′D=F′H+F′D,∴EG=F′H,∴DE<DF′,
∴DE+GE<HF′+DF′,∴DG<F′O+DF′,∴FO+FD<F′O+DF′,∴F是所求作的点.
∵D(1,1),∴F的横坐标为1,∴F(1,).
【举一反三】
1.(12滨州)如图,在平面直角坐标系中,抛物线y=ax2+bx+c经过A(﹣2,﹣4),O(0,0),B(2,0)三点.
(1)求抛物线y=ax2+bx+c的解析式;
(2)若点M是该抛物线对称轴上的一点,求AM+OM的最小值.
2.(13成都)在平面直角坐标系中,已知抛物线y=﹣x2+bx+c(b,c为常数)的顶点为P,等腰直角三角形ABC的顶点A的坐标为(0,﹣1),C的坐标为(4,3),直角顶点B在第四象限.
(1)如图,若该抛物线过A,B两点,求该抛物线的函数表达式;
(2)平移
(1)中的抛物线,使顶点P在直线AC上滑动,且与AC交于另一点Q.
(i)若点M在直线AC下方,且为平移前
(1)中的抛物线上的点,当以M、P、Q三点为顶点的三角形是等腰直角三角形时,求出所有符合条件的点M的坐标;
(ii)取BC的中点N,连接NP,BQ.试探究是否存在最大值?
若存在,求出该最大值;若不存在,请说明理由.
3.(11眉山)如图,在直角坐标系中,已知点A(0,1),B(﹣4,4),将点B绕点A顺时针方向90°得到点C;顶点在坐标原点的拋物线经过点B.
(1)求抛物线的解析式和点C的坐标;
(2)抛物线上一动点P,设点P到x轴的距离为d1,点P到点A的距离为d2,试说明d2=d1+1;
(3)在
(2)的条件下,请探究当点P位于何处时,△PAC的周长有最小值,并求出△PAC的周长的最小值.
【参考答案】
1.解:
(1)把A(﹣2,﹣4),O(0,0),B(2,0)三点的坐标代入y=ax2+bx+c中,得
,解得a=﹣,b=1,c=0,∴解析式为y=﹣x2+x.
(2)由y=﹣x2+x=﹣(x﹣1)2+,
可得抛物线的对称轴为x=1,并且对称轴垂直平分线段OB,∴OM=BM,
∴OM+AM=BM+AM,连接AB交直线x=1于M点,则此时OM+AM最小,
过点A作AN⊥x轴于点N,在Rt△ABN中,AB===4,
∴OM+AM最小值为4.
2.解:
(1)∵等腰直角三角形ABC的顶点A的坐标为(0,-1),C的坐标为(4,3),
∴点B的坐标为(4,-1).∵抛物线过A(0,-1),B(4,-1)两点,
∴,解得:
b=2,c=-1,
∴抛物线的函数表达式为:
y=-x2+2x-1.
(2)(i)∵A(0,-1),C(4,3),∴直线AC的解析式为:
y=x-1.
设平移前抛物线的顶点为P0,则由
(1)可得P0的坐标为(2,1),且P0在直线AC上.
∵点P在直线AC上滑动,∴可设P的坐标为(m,m-1),
则平移后抛物线的函数表达式为:
y=-(x-m)2+m-1.
解方程组:
,解得,,
∴P(m,m-1),Q(m-2,m-3).
过点P作PE∥x轴,过点Q作QF∥y轴,则
PE=m-(m-2)=2,QF=(m-1)-(m-3)=2.∴PQ=2=AP0.
若以M、P、Q三点为顶点的等腰直角三角形,则可分为以下两种情况:
①当PQ为直角边时:
点M到PQ的距离为2(即为PQ的长).
由A(0,-1),B(4,-1),P0(2,1)可知,
△ABP0为等腰直角三角形,且BP0⊥AC,BP0=2.
如答图1,过点B作直线l1∥AC,交抛物线y=-x2+2x-1于点M,则M为符合条件的点.
∴可设直线l1的解析式为:
y=x+b1,∵B(4,-1),∴-1=4+b1,解得b==-5,
∴直线l1的解析式为:
y=x-5.解方程组,得:
,,
∴M1(4,-1),M2(-2,-7).
②当PQ为斜边时:
MP=MQ=2,可求得点M到PQ的距离为2.
如答图2,取AB的中点F,则点F的坐标为(2,-1).
由A(0,-1),F(2,-1),P0(2,1)可知:
△AFP0为等腰直角三角形,且点F到直线AC的距离为2.
过点F作直线l2∥AC,交抛物线y=-x2+2x-1于点M,则M为符合条件的点.
∴可设直线l2的解析式为:
y=x+b2,
∵F(2,-1),∴-1=2+b2,解得b2=-3,∴直线l2的解析式为:
y=x-3.
解方程组,得:
,,
∴M3(1+,-2+),M4(1-,-2-).
综上所述,所有符合条件的点M的坐标为:
M1(4,-1),M2(-2,-7),M3(1+,-2+),M4(1-,-2-).
(ii)存在最大值.理由如下:
由i)知PQ=2为定值,则当NP+BQ取最小值时,有最大值.
如答图2,取点B关于AC的对称点B′,易得点B′的坐标为(0,3),BQ=B′Q.
连接QF,FN,QB′,易得FN∥PQ,且FN=PQ,∴四边形PQFN为平行四边形.∴NP=FQ.
∴NP+BQ=FQ+B′Q≥FB′==2.
∴当B′、Q、F三点共线时,NP+BQ最小,最小值为2.∴的最大值为=.
3.解:
(1)设抛物线的解析式:
y=ax2,∵拋物线经过点B(﹣4,4),∴4=a•42,解得a=,
所以抛物线的解析式为:
y=x2;
过点B作BE⊥y轴于E,过点C作CD⊥y轴于D,如图,
∵点B绕点A顺时针方向90°得到点C,∴Rt△BAE≌Rt△ACD,
∴AD=BE=4,CD=AE=OE﹣OA=4﹣1=3,∴OD=AD+OA=5,∴C点坐标为(3,5);
(2)设P点坐标为(a,b),过P作PF⊥y轴于F,PH⊥x轴于H,如图,
∵点P在抛物线y=x2上,∴b=a2,∴d1=a2,
∵AF=OF﹣OA=PH﹣OA=d1﹣1=a2﹣1,PF=a,
在Rt△PAF中,PA=d2===a2+1,∴d2=d1+1;
(3)由
(1)得AC=5,∴△PAC的周长=PC+PA+5=PC+PH+6,
要使PC+PH最小,则C、P、H三点共线,
∴此时P点的横坐标为3,把x=3代入y=x2,得到y=,
即P点坐标为(3,),此时PC+PH=5,∴△PAC的周长的最小值=5+6=11.
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