向量表示 运动抛物线_流动的美丽函数——抛物线浅谈

事先说明:笔者初三,如在叙述中有不严谨的地方,还请诸位指出,自当感激不尽。

(本文默认受众对象为初高中生,因此抛物线一律采取了y=ax²的形式,高中的同学们可以应用旋转矩阵把它变到y²=2px的形式QAQ笔者懒就不写咯~)

为了更方便地写本文,笔者定义一种运算叫实导,就是取幂函数上两点表示其斜率的运算,下文均记作Fs(ab)或(某代数式)s(a,b指点,方便起见,后文xa,xb,xc对应x1,x2,x3,当运算指对任意两点求实导时,直接记作Fs)强烈建议初中生阅读前看看导数!!!

一.新定义的灵感

当时还是在准备三位一体考试,然后为了解极值学习了导数的内容,刚开始百思不得其解,后来从几何意义出发,了解到导数是一个函数上两点斜率的极端情况,当两点无限接近时,所得的切线斜率就是函数该点的导数值。在推理了幂函数形式的导数公式后,恰巧在做钱塘甬真重高的抛物线题目,计算量令人头大,于是我突发奇想,想要找一种方式简化运算,刚好想到当两点不是无限迫近时,两点斜率是否可以表示,恰好与抛物线阴差阳错地契合,就发明了这个运算,取可见两点斜率之意,改导数为实导了。(事实上,根据点差法,可以给出所有幂函数(次数为整数)类型的实导运算及其运算公式,下文将会提到。)

实导运算性质(推导你们自己弄吧hiahiahia奸笑jpg)

1.对于幂函数f(x)=x^n,Fs=x1^n-1 +x1^n-2·x2+x1^n-3·x2²……+x2^n-1,(n∈正整数)

若F(x)=x^-n,Fs=-(x^n)s/(x1x2)^n,(n∈正整数)

规定当n=0时,Fs=0

2.若F(x)=h(x)+g(x),则(F(x))s=(h(x))s+(g(x))s

3.若F(x)=h(x)·g(x),则(F(x))s=(h(x))s·(g(x1)+g(x2))/2+(g(x))s·(h(x1)+h(x2))/2

4.后文将Fs²+1记为M

5.链式求导法则,隐函数求导法则对于求实导依然有效

二.正文部分一:实导对于抛物线

设f(x)=ax²+bx+c,根据上面运算可知Fs=a(x1+x2)+b(由此可知,当xa+xb=xc+xd时,ab∥cd)

特殊时:1.x1=0,Fs=ax2+b

2.a点为顶点M,则Fs(aM)=a△x(△x=x1-xM)(一般化:Fs=a(△x1+△x2))

3.很容易得知Fs(ab)=F(a+b/2)’(有兴趣的可以去查一下数学史中阿基米德求弓形面积,这可能是最早的微分思想了)

4.设割线l:y=【a(x1+x2)+b】x+z,将(x1,ax1²+bx1+c)代入,可以解得直线方程:y=Fsx+c-ax1x2,即为抛物线割线公式。

5.同理可以给出抛物线切线公式:y=f(x)’x+c-ax0²=(2ax0+b)x+c-ax0²

6.任意两点距离公式:√M·|x1-x2|

三.征途开始:利用上述公式推出更美丽的公式。

α:抛物线内接三角形(△abc)面积公式:S=|a(x1-x2)(x1-x3)(x2-x3)|/2

证明:我们先画一个三角形:

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采取中学惯用的方法:水平宽乘铅垂高,做出h和l,很明显:

l=(x3-x1)

h=(Fs(AC)-Fs(AB))·(x2-x1)=【a(x1+x3)+b-a(x1+x2)-b】·(x2-x1)

=a(x3-x2)·(x2-x1)

∴S=1/2l·h=|a(x1-x2)(x1-x3)(x2-x3)|(这里我们不知道ABC具体位置,所以加上了绝对值)

是不是充满了对称的美学!!!简单而漂亮!!!

说到这不得不提到一类初中极多的水平宽乘铅垂高问题,大致就是确定了A和B的位置,然后在其间有动点C,求S△ABCmax,利用上式,我们可以轻松得到当x3=x1+x2/2时,Smax=1/8|a(x1-x2)³|,一直坚信代数据死算的同学们有没有觉得感情被欺骗了(实际上从几何意义上考虑,当x3=x1+x2/2时,C点切线恰好与AB平行,此时显然三角形高最大)

同样的,对于反比例函数同样有一般美丽的公式,我就提一下:S=|k(x1-x2)(x1-x3)(x2-x3)/2x1x2x3|

当这类模型转向四边形时,同样会成立。

β:斜率专题:过定点和旋转。

p1:旋转的割线(初中常有)

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△Fs=a△x,所以△x=△Fs/a

顺时针:△Fs=(Fs(AB)-tanθ)/(1+Fs(AB)tanθ)-Fs(AB)

=-tanθ(Fs(AB)²+1)/(1+Fs(AB)tanθ)

=M/(-Fs(AB)-cotθ)

逆时针:同理可得△Fs=M/(-Fs(AB)+cotθ)

总结一下,△x=M/a(-Fs(AB)±cotθ),顺时针取负号,逆时针取正号(和三角函数一样)

p2:斜率之积决定过定点问题。

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注:给定抛物线上一点P,若在抛物线上取另外两点AB,使kAP·kBP=λ(定值),则直线AB必经过定点P”

证明:Fs(AP)·Fs(BP)=a²(x1+x0)(x2+x0)=λ①,lAB:y=a(x1+x2)x-ax1x2=kx+b②

①展开并整理,有a²【x0²+(x1+x2)x0+x1x2】=a²(x0²+kx0/a-b/a)=a²x0²+akx0-ab=λ,于是有k=b/x0+λ/ax0-ax0,代入②得y=(b/x0+λ/ax0-ax0)x+b=(x/x0+1)b+λx/ax0-ax0x,很明显,当x=-x0时,就会有y=ax0²-λ/a(定值),在图形上看,就是取P点关于对称轴的对称点,并将纵坐标-λ/a,即得定点P”

要注意的是,该结论逆定理仍然成立,并且其特殊情况(λ=-1)经常会在三一考试中出现,该结论是该类型题目的推广(吧)

p3:如图:

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已知动直线lAB过对称轴上定点N,则AB的中点M可以表示

不妨将曲线标准化,取y=ax²,N(0,n)其它情况都可通过平移得到(下文模型默认标准化)

则有lAB:y=a(x1+x2)x-ax1x2=kx+n,故M(x1+x2/2,a(x1²+x2²)/2)

则xm=k/2a,ym=a/2 ·【(x1+x2)²-2x1x2】=n+k²/2a

即M(k/2a,n+k²/2a)

γ:七仙女模型(瞎取的名字)

在介绍这些模型之前,首先介绍一个结论:

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抛物线上任取一点A,作割线AB、AC,设△x1=x2-x0,△x2=x3-x0(记xp=x0),则有向量PC’/向量PB’=△x2/△x1

证明:标准化后,yc’=-ax1x3,yb’=-ax1x2,于是向量PC'=yc',向量PB'=yb',两者相比即向量PC’/向量PB’=x3/x2,再转化到一般情况,则变成向量PC’/向量PB’=△x2/△x1

我称之为半割模型。

a.

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简述:在抛物线对称轴上取一点M(0,m),并取直线l:y=-m(接下来6个模型都是如此)

过M的动弦AB交抛物线于A、B,过A(B)作垂线AA'(BB')⊥l,则有A'PB(B'PA)三点共线。

证明:过B作直线l’∥l,交抛物线于C,由半割,知

y2/m=-x2/x1,变形后,有y2/x2=m/-x1,即kA'P=kBP,于是A'PB(B'PA)三点共线。证明相当简洁。

b.

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如图,M’P平分∠AM'B

证明:过B作直线l’∥l,交抛物线于C,由半割,知

y2/m=-x2/x1。又kBM’=y2+m/x2,kAM'=y1+m/x1,且-ax1x2=m,

∴x1=-x2m/y2,y1y2=m²,即y1=m²/y2,代入前式化简后即可得到kBM'=-kAM',得证

c.

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A、B处切线交点必在l上(你非要说调和配极那我也没办法)

证明:直接联立切线方程:

la:y=2ax1x-ax1²,lb:y=2ax2x-ax2²,联立后得到点M’(x1+x2/2,ax1x2),又因为ym=-ax1x2,所以得证。

对此不得不加以补充:若过M’作直线l’平行于y轴,交抛物线于C,交AB于D,经过计算可以发现C是M’D的中点,而且S△ABC恰好=1/8|a(x1-x2)³|,于是我们就得到S△ABM=1/4|a(x1-x2)³|,十分神奇

d.

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以A'B'为直径的圆经过定点Q

设P(0,m)=(0,-ax1x2)不妨就设圆与抛物线对称轴交于Q,则∠A'QB'=90°,令对称轴与l交于P',则由射影定理,有QP'²=A'P'·P'B',∴(yQ+m)²=-x1x2=m/a

最终可解得yQ=√m/a -m,特殊地,当P为焦点时,Q与P重合。

e,f.

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Q是AB中点,如图有:AQ'∥PB',AP’∥QB'

证明:直接设点(我省略了)

kAP'=2ax1x2/x1=2ax2,kQB'=(ax1x2-ax2²)/(x1-x2)/2=2ax2(x1-x2)/x1-x2=2ax2

kAQ'=-a(x1-x2)²/2/x1-x2/2=-a(x1-x2),kP'B=ax2(x1-x2)/-x2=-a(x1-x2)

∴kAP’=kQB',kAQ'=kP'B,即得证。

g.

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E为抛物线上一动点,连接AE,BE,分别交l于Q,P则kMP·kMQ=-4am(M(0,m))

证明:A(x1,ax1²)B(x2,ax2²)E(x0,ax0²)

于是lBE:y=a(x0+x2)x-ax0x2,lAE:y=a(x0+x1)-ax0x1

代入y=-m,分别解得P(x2(x0+x1)/(x0+x2),-m),Q(x1(x0+x2)/(x0+x1),-m)

∴kPM=-2m(x0+x2)/x2(x0+x1),kQM=-2m(x0+x1)/x1(x0+x2)

∴kPM·kQM=4m²/x1x2=4m²/-a/m=-4am

特殊地,当M为焦点,PM⊥MQ

四.小试牛刀(例题解析)

1.来自钱塘甬真重高某卷

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抛物线:y=1/2x²,A(-1,1)B(0,-1),M是抛物线上动点,连结BM,AM分别交抛物线于M2,M1,试求M1M2所过的定点。

解:不妨将未知点看成已知定点,那么M,M1,M2就是与之关联的动点。

设lMM1:y=k(x+1)+1=½(xm+xm1)x-½xmxm1=½(xm+xm1)(x+1)+1,于是 -½xmxm1=½xm+½xm1+1,化简得xmxm1=-(xm+xm1+2)①

kBM=½xm²+1/xm=½xm+1/xm=Fs(MM2)=½xm+½xm2,∴xm2=2/xm②

所以ym1m2=½(xm1+xm2)x-½xm1xm2,将②代入有:

ym1m2=½(xm1xm+2)/xm·x-xm1/xm,将①代入有:-½x-(xm1+½xm1·x)/xm

∴当x=-2时,y=1,即过定点Q(-2,1)

标答的话就是硬算,我没什么好说的,我按照标答做的时候算错了两遍。。。

2.2018浙江嵊州高三期末质检21

已知抛物线y=x²,A(-1,1),B(4,-2)抛物线上一点P(x,y)(x<-1),AP与y轴交于Q,记△PAB,△QAB面积分别为S1,S2。

(1)若AP⊥PB,求x

(2)求(S1-5S2)min

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(1)解:由题知Fs(AP)·Fs(BP)=(x-1)·(x+2)=x²+x-2=-1

解得x=-1+√5/2(舍)x=-1-√5/2

(2)解:S1=(-1-x)(2-x)(2+1)/2=3(x²-x-2)/2

yQ=-(-1·x)=x,∴S2=h·l/2=3(2-x)/2

∴(S1-5S2)=3(x²-x-2)/2-15(2-x)/2=3x²+12x-36/2=3(x+2)²-48/2

则当x=-2时,原式min=-24

(3)2019浙江台州一中、天台一中高三上期中21

已知直线PA,PB与抛物线y=¼x²分别相切于A,B

(1)若P在直线y=-1上,求证:直线AB过定点

(2)若点P是半椭圆¼x²+⅓y²=1(y<0)上的动点,求S△PAB的取值范围

(1)证明:由上结论易知AB过定点(0,1)

(2)令xa=x1>xb=x2,∴S△PAB=(x1-x2)³/16,且x1+x2=2xp,¼x1x2=yp

∴(x1+x2)²-4x1x2=4xp²-16yp=(x1-x2)²

∴S△PAB=√xp²-4yp ³/2,又∵3x²+4y²=12,∴xp²=4 -4yp²/3,代入得:

S△PAB=√-4yp²/3-4yp+4³/2,∴当y=-3/2时,S△PABmax=7√7/2

当y=0时,S△PAB=4,又因为取不到0,所以4<S△PAB≤7√7/2

类似的例题还有很多,我不列举了

求赞~

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