2023年中考数学压轴培优专题:二次函数与正方形存在性问题(含答案解析)
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1、二次函数与正方形存在性问题二次函数与正方形存在性问题1.作为特殊四边形中最特殊的一位,正方形拥有更多的性质,因此坐标系中的正方形存在性问题变化更加多样,从判定的角度来说,可以有如下:(1)有一个角为直角的菱形;(2)有一组邻边相等的矩形;(3)对角线互相垂直平分且相等的四边形依据题目给定的已知条件选择恰当的判定方法,即可确定所求的点坐标2.对于二次函数与正方形的存在性问题,常见的处理思路有:思路1:从判定出发若已知菱形,则加有一个角为直角或对角线相等;若已知矩形,则加有一组邻边相等或对角线互相垂直;若已知对角线互相垂直或平分或相等,则加上其他条件思路2:构造三垂直全等若条件并未给关于四边形及对
2、角线的特殊性,则考虑在构成正方形的4个顶点中任取3个,必是等腰直角三角形,若已知两定点,则可通过构造三垂直全等来求得第3个点,再求第4个点3.示例:在平面直角坐标系中,已知A、B的坐标,在平面中求C、D使得以A、B、C、D为顶点的四边形是正方形 如图,一共6个这样的点C使得以A、B、C为顶点的三角形是等腰直角三角形【例1】(2022齐齐哈尔)综合与探究如图,某一次函数与二次函数yx2+mx+n的图象交点为A(1,0),B(4,5)(1)求抛物线的解析式;(2)点C为抛物线对称轴上一动点,当AC与BC的和最小时,点C的坐标为 (1,2);(3)点D为抛物线位于线段AB下方图象上一动点,过点D作D
3、Ex轴,交线段AB于点E,求线段DE长度的最大值;(4)在(2)条件下,点M为y轴上一点,点F为直线AB上一点,点N为平面直角坐标系内一点,若以点C,M,F,N为顶点的四边形是正方形,请直接写出点N的坐标【分析】(1)将A(1,0),B(4,5)代入yx2+mx+n,解方程即可得出答案;(2)根据两点之间,线段最短,可知当点A、B、C三点共线时,AC+BC的最小值为AB的长,求出直线AB的解析式,即可得出点C的坐标;(3)设D(a,a22a3),则E(a,a+1),表示出DE的长度,利用二次函数的性质可得答案;(4)分CF为对角线和边,分别画出图形,利用正方形的性质可得答案【解答】解:(1)将
4、A(1,0),B(4,5)代入yx2+mx+n得,抛物线的解析式为yx22x3;(2)设直线AB的函数解析式为ykx+b,直线AB的解析式为yx+1,AC+BCAB,当点A、B、C三点共线时,AC+BC的最小值为AB的长,抛物线yx22x3的对称轴为x1,当x1时,y2,C(1,2),故答案为:(1,2);(3)设D(a,a22a3),则E(a,a+1),DE(a+1)(a22a3)a2+3a+4(1a4),当a时,DE的最大值为;(4)当CF为对角线时,如图,此时四边形CMFN是正方形,N(1,1),当CF为边时,若点F在C的上方,此时MFC45,MFx轴,MCF是等腰直角三角形,MFCN2
5、,N(1,4),当点F在点C的下方时,如图,四边形CFNM是正方形,同理可得N(1,2),当点F在点C的下方时,如图,四边形CFMN是正方形,同理可得N(,),综上:N(1,1)或(1,4)或(1,2)或(,)【例2】(2022扬州)如图是一块铁皮余料,将其放置在平面直角坐标系中,底部边缘AB在x轴上,且AB8dm,外轮廓线是抛物线的一部分,对称轴为y轴,高度OC8dm现计划将此余料进行切割:(1)若切割成正方形,要求一边在底部边缘AB上且面积最大,求此正方形的面积;(2)若切割成矩形,要求一边在底部边缘AB上且周长最大,求此矩形的周长;(3)若切割成圆,判断能否切得半径为3dm的圆,请说明理
6、由【分析】(1)先根据题意求出抛物线的解析式,当正方形的两个顶点在抛物线上时正方形面积最大,先根据GH2OG计算H的横坐标,再求出此时正方形的面积即可;(2)由(1)知:设H(t,t2+8)(t0),表示矩形EFGH的周长,再根据二次函数的性质求出最值即可;(3)设半径为3dm的圆与AB相切,并与抛物线相交,设交点为N,求出点N的坐标,并计算点N是圆M与抛物线在y轴右侧的切点即可【解答】解:(1)如图1,由题意得:A(4,0),B(4,0),C(0,8),设抛物线的解析式为:yax2+8,把B(4,0)代入得:016a+8,a,抛物线的解析式为:yx2+8,四边形EFGH是正方形,GHFG2O
7、G,设H(t,t2+8)(t0),t2+82t,解得:t12+2,t222(舍),此正方形的面积FG2(2t)24t24(2+2)2(9632)dm2;(2)如图2,由(1)知:设H(t,t2+8)(t0),矩形EFGH的周长2FG+2GH4t+2(t2+8)t2+4t+16(t2)2+20,10,当t2时,矩形EFGH的周长最大,且最大值是20dm;(3)若切割成圆,能切得半径为3dm的圆,理由如下:如图3,N为M上一点,也是抛物线上一点,过N作M的切线交y轴于Q,连接MN,过点N作NPy轴于P,则MNOM3,NQMN,设N(m,m2+8),由勾股定理得:PM2+PN2MN2,m2+(m2+
8、83)232,解得:m12,m22(舍),N(2,4),PM413,cosNMP,MQ3MN9,Q(0,12),设QN的解析式为:ykx+b,QN的解析式为:y2x+12,x2+82x+12,x22x+40,(2)2440,即此时N为圆M与抛物线在y轴右侧的唯一公共点,若切割成圆,能切得半径为3dm的圆【例3】(2022海南)如图1,抛物线yax2+2x+c经过点A(1,0)、C(0,3),并交x轴于另一点B,点P(x,y)在第一象限的抛物线上,AP交直线BC于点D(1)求该抛物线的函数表达式;(2)当点P的坐标为(1,4)时,求四边形BOCP的面积;(3)点Q在抛物线上,当的值最大且APQ是
9、直角三角形时,求点Q的横坐标;(4)如图2,作CGCP,CG交x轴于点G(n,0),点H在射线CP上,且CHCG,过GH的中点K作KIy轴,交抛物线于点I,连接IH,以IH为边作出如图所示正方形HIMN,当顶点M恰好落在y轴上时,请直接写出点G的坐标【分析】(1)将A,C两点坐标代入抛物线的解析式,进一步求得结果;(2)可推出PCB是直角三角形,进而求出BOC和PBC的面积之和,从而求得四边形BOCP的面积;(3)作PEAB交BC的延长线于E,根据PDEADB,求得的函数解析式,从而求得P点坐标,进而分为点P和点A和点Q分别为直角顶点,构造“一线三直角”,进一步求得结果;(4)作GLy轴,作R
10、CGL于L,作MTKI于K,作HWIK于点W,则GLCCRH,ITMHWI根据GLCCRH可表示出H点坐标,从而表示出点K坐标,进而表示出I坐标,根据MTIW,构建方程求得n的值【解答】解:(1)由题意得,该抛物线的函数表达式为:yx2+2x+3;(2)当y0时,x2+2x+30,x11,x23,B(3,0),PC2+BC21+(43)2+(32+32)20,PB2(31)2+4220,PC2+BC2PB2,PCB90,SPBC3,SBOC,S四边形BOCPSPBC+SBOC3+;(3)如图1,作PEAB交BC的延长线于E,设P(m,m2+2m+3),B(3,0),C(0,3),直线BC的解析
11、式为:yx+3,由x+3m2+2m+3得,xm22m,PEm(m22m)m2+3m,PEAB,PDEADB,(m)2+,当m时,()最大,当m时,y()2+2+3,P(,),设Q(n,n2+2n+3),如图2,当PAQ90时,过点A作y轴平行线AF,作PFAF于F,作QGAF于G,则AFPGQA,n,如图3,当AQP90时,过QNAB于N,作PMQN于M,可得ANQQMP,可得n11,n2,如图4,当APQ90时,作PTAB于T,作QRPT于R,同理可得:,n,综上所述:点Q的横坐标为:或1或或;(4)如图5,作GLy轴,作RCGL于L,作MTKI于T,作HWIK于点W,则GLCCRH,ITM
12、HWIRHOGn,CRGLOC3,MTIW,G(n,0),H(3,3+n),K(,),I(,()2+n+3+3),TMIW,()2+n+6(3+n),(n+3)2+2(n+3)120,n14+,n24(舍去),G(4+,0)【例4】(2022长春)在平面直角坐标系中,抛物线yx2bx(b是常数)经过点(2,0)点A在抛物线上,且点A的横坐标为m(m0)以点A为中心,构造正方形PQMN,PQ2|m|,且PQx轴(1)求该抛物线对应的函数表达式;(2)若点B是抛物线上一点,且在抛物线对称轴左侧过点B作x轴的平行线交抛物线于另一点C,连结BC当BC4时,求点B的坐标;(3)若m0,当抛物线在正方形内
13、部的点的纵坐标y随x的增大而增大时,或者y随x的增大而减小时,求m的取值范围;(4)当抛物线与正方形PQMN的边只有2个交点,且交点的纵坐标之差为时,直接写出m的值【分析】(1)把(2,0)代入yx2bx,得到b2,可得结论;(2)判断出点B的横坐标为1,可得结论;(3)分两种情形:当抛物线在正方形内部的点的纵坐标y随x的增大而增大当抛物线在正方形内部的点的纵坐标y随x的增大而减小利用图象法解决问题即可;(4)分三种情形:如图41中,当点N(0,)时,满足条件,如图42中,当点N(0,),满足条件,如图43中,当正方形PQMN的边长为时,满足条件,分别求出点A的坐标,可得结论【解答】解:(1)
14、把(2,0)代入yx2bx,得到b2,该抛物线的解析式为yx22x;(2)如图1中,yx22x(x1)21,抛物线的顶点为(1,1),对称轴为直线x1,BCx,B,C故对称轴x1对称,BC4,点B的横坐标为1,B(1,3);(3)如图2中,点A的横坐标为m,PQ2|m|,m0,PQPQMMN2m,正方形的边MN在y轴上,当点M与O重合时,由,解得或,A(3,3),观察图象可知,当m3时,抛物线在正方形内部的点的纵坐标y随x的增大而增大如图3中,当PQ落在抛物线的对称轴上时,m,观察图象可知,当0m时,抛物线在正方形内部的点的纵坐标y随x的增大而减小综上所述,满足条件的m的值为0m或m3;(4)
15、如图41中,当点N(0,)时,满足条件,此时直线NQ的解析式为yx+,由,解得,或,点A在第四象限,A(,),m如图42中,当点N(0,),满足条件,此时直线NQ是解析式为yx,由,解得,A(,),m如图43中,当正方形PQMN的边长为时,满足条件,此时m,综上所述,满足条件的m的值为或或1(2020乐平市一模)如图,抛物线ya(xh)2+k(a0)的顶点为A,对称轴与x轴交于点C,当以AC为对角线的正方形ABCD的另外两个顶点B、D恰好在抛物线上时,我们把这样的抛物线称为美丽抛物线,正方形ABCD为它的内接正方形(1)当抛物线yax2+1是美丽抛物线时,则a2;当抛物线y+k是美丽抛物线时,
16、则k4;(2)若抛物线yax2+k是美丽抛物线时,则请直接写出a,k的数量关系;(3)若ya(xh)2+k是美丽抛物线时,(2)a,k的数量关系成立吗?为什么?(4)系列美丽抛物线ynan(xn)2+kn(n为小于7的正整数)顶点在直线yx上,且它们中恰有两条美丽抛物线内接正方形面积比为1:16求它们二次项系数之和【分析】(1)画出函数yax2+k的图象,求出点D的坐标,即可求解;(2)由(1)知,点D的坐标为(k,k),即可求解;(3)美丽抛物线沿x轴向右或向左平移后得到的抛物线仍然是美丽抛物线,美丽抛物线ya(xh)2+k沿x轴经过适当平移后为抛物线yax2+k,即可求解;(4)设这两条美
17、丽抛物线的顶点坐标分别为和,它们的内接正方形的边长比为,则m4k,进而求解【解答】解:(1)函数yax2+k的图象如下:抛物线yax2+1是美丽抛物线时,则AC1,四边形ABCD为正方形,则点D的坐标为(,),将点D的坐标代入yax2+1得:a()2+1,解得a2;同理可得,点D的坐标为(k,k),将点D的坐标代入y+k得:k(k)2+1,解得k0(不合题意)或4;故答案为:4;(2)由(1)知,点D的坐标为(k,k),将点D的坐标代入yax2+k得:ka(k)2+k,解得ak2;(3)答:成立美丽抛物线沿x轴向右或向左平移后得到的抛物线仍然是美丽抛物线美丽抛物线ya(xh)2+k沿x轴经过适
18、当平移后为抛物线yax2+kak2;(4)设这两条美丽抛物线的顶点坐标分别为和,(k,m为小7的正整数,且km),它们的内接正方形的边长比为,m4k,这两条美丽抛物线分别为和,2,a112,a43a1+a415答:这两条美丽抛物线对应的二次函数的二次项系数和为152(2016秋西城区校级期中)我们规定:在正方形ABCD中,以正方形的一个顶点A为顶点,且过对角顶点C的抛物线,称为这个正方形的以A为顶点的对角抛物线(1)在平面直角坐标系xOy中,点在轴正半轴上,点C在y轴正半轴上如图1,正方形OABC的边长为2,求以O为顶点的对角抛物线;如图2,在平面直角坐标系xOy中,正方形OABC的边长为a,
19、其以O为顶点的对角抛物线的解析式为yx2,求a的值; (2)如图3,正方形ABCD的边长为4,且点A的坐标为(3,2),正方形的四条对角抛物线在正方形ABCD内分别交于点M、P、N、Q,直接写出四边形MPNQ的形状和四边形MPNQ的对角线的交点坐标【分析】(1)设O为顶点的抛物线的解析式为yax2,把B(2,2)代入即可解决问题设B(a,a)代入yx2求出a即可解决问题(2)如图3中,结论:四边形MPNQ是菱形,对角线的交点坐标为(5,4)求出A、B、C、D的顶点的对角抛物线,利用方程组求出M、P、N、Q的坐标即可解决问题【解答】解:(1)如图1中,设O为顶点的抛物线的解析式为yax2,过B(
20、2,2),24a,a,所求的抛物线的解析式为yx2如图2中,设B(a,a)则有aa2,解得a4或0(舍弃),B(4,4),OA4,正方形的边长为4(2)如图3中,结论:四边形MPNQ是菱形,对角线的交点坐标为(5,4)理由:正方形ABCD的边长为4,A(3,2),B(7,2),C(7,6),D(3,6),以A为顶点的对角抛物线为y(x3)2+2,以B为顶点的对角抛物线为y(x7)2+2,以C为顶点的对角抛物线为y(x7)2+6,以D为顶点的对角抛物线为y(x3)2+6,由可得M(5,3),由可得N(5,5),由可得P(3+2,4),由可得Q(72,4),PM,PN,QN,QM,PMPNQNQM
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- 2023 年中 数学 压轴 专题 二次 函数 正方形 存在 问题 答案 解析
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