例谈和二次函数有关的最值问题

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  二次函数是初中数学知识的一个重点,也是一个难点.同时它还是各地中考试题的一个考点.而和二次函数有关的最值问题又在中考题中最为常见,这类问题的题型广泛,因而解决这类问题的方法也要因题而异.下面根据自己的教学经验,结合近年的一些中考试题,谈谈这类问题的一些解题方法,以供师生同仁参考.
  一、 直接利用二次函数的有关性质求最值
  (1) 用配方法或公式法求最值
  例1 (2012年,深圳)二次函数y=x2-2x+6的最小值是 .
  解析 这是二次函数中求最值的最基础问题,可以用配方法化为y=(x-1)2+5,也可以用公式y==5,从而求出函数的最小值为5.
  (2) 根据二次函数的平移规律计算后求最值
  例2 (2012年,陕西)在平面直角坐标系中,将抛物线y=x2-x-6向上(下)或左(右)平移m个单位,使平移后的抛物线恰好经过原点,则│m│最小值为( )
  A. 1 B. 2
  C. 3 D. 6
  解析 y=x2-x-6=(x-)-6,如果向上平移m个单位得y=(x-)-6+m,当x=0时,y=0,则m=6,此时│m│=6,如果将抛物线向左平移m个单位,得y=(x-+m)-6,当x=0时,y=0代入,则m=3,m=-2,此时│m│=3或2,综上所述,│m│最小值为2.故选B.
  (3) 利用函数的增减性求最值
  例3 已知二次函数y=2x2-4x-6,求当-2≤x≤0时,函数的最大值与最小值.
  解析 由二次函数y=2x2-4x-6,易得抛物线的对称轴为直线x=1,又因为2>0,可知当x<1时,y随x的增大而减小.因此,当x=-2时,得y=10;当x=0时,得y=-6.
  评注 对于给定二次函数关系式的最值问题,是最基础也是最基本的.当自变量的取值为全体实数时,其函数顶点的纵坐标的值即为所求的最大值或最小值;当自变量的取值是一个给定的区间时,一方面要确定抛物线的对称轴(顶点)是否在给定的区间内,同时还要结合函数的增减性正确的求出最值.
  二、 构建函数模型,借助函数性质求最值
  例4 (2012年,乐山)如图,在平面直角坐标系中,点A的坐标为(m,m),点B的坐标为(n,-n),抛物线经过A、O、B三点,连接OA、OB、AB,线段AB交y轴于点C.已知实数m、n(m  (1) 求抛物线的解析式;
  (2) 若点P为线段OB上的一个动点(不与点O、B重合),直线PC与抛物线交于D、E两点(点D在y轴右侧),连接OD、BD.
  ① 当△OPC为等腰三角形时,求点P的坐标;
  ② 求△BOD 面积的最大值,并写出此时点D的坐标.
  解析 (1)首先解方程x2-2x-3=0,得出A(-1,-1),B(3,-3).两点的坐标,进而利用待定系数法设抛物线的解析式为y=ax2+bx.求出二次函数解析式为y=-x2+x.…(2)①先由A(-1,-1),B(3,-3)两点的坐标,求出直线AB的解析式为y=-x-.得C点坐标为(0,-).∵直线OB过点O(0,0),B(3,-3),∴直线OB的解析式为y=-x.设P(x,-x),由△OPC为等腰三角形,∴OC=OP或OP=PC或OC=PC.分别可求得P点坐标为P(,-)或P(,-)或P(,-).②过点D作DG⊥x轴,垂足为G,交OB于Q,过B作BH⊥x轴,垂足为H.设Q(x,-x),D(x,-x2+x).则:S△BOD=S△ODQ+S△BDQ=DQ·OG+DQ·GH=DQ(OG+GH)=x+(-x2+x)×3=-(x-)2+=,∵0  评注 对于二次函数中的与线段长、三角形面积等有关的最值问题,一般要先根据图形的内在联系,挖掘出相应的内在性质,并运用其性质把表示有关线段、三角形面积的二次函数(或一次函数)的关系式表示出来,然后再利用函数的性质求出满足题意的最值.同时,还要注意函数自变量的取值范围.
  三、 利用不同函数值的分析比较求最值
  例5 (2008·随州)某生物科技发展公司投资2000万元,研制出一种绿色保健食品.已知该产品的成本为40元/件,试销时,售价不低于成本价,又不高于180元/件.经市场调查知,年销售量y(万件)与销售单价x(元/件)的关系满足下表所示的规律.
  (1) y与x之间的函数关系式是 ,自变量x的取值范围为 .
  (2) 经测算:年销售量不低于90万件时,每件产品成本降低2元,设销售该产品年获利润为W(万元)(W=年销售额-成本-投资),求出年销售量低于90万件和不低于90万件时,W与x之间的函数关系式;
  (3) 在(2)的条件下,当销售单位定为多少时,公司销售这种产品年获利润最大?最大利润为多少万元?
  解析 由题意得:(1) y=-x+200(40≤x≤180)
  (2) 当y<90,即-x+200<90时,x>110,W=(x-40)(-x+200)-2000=-x2+240x-10000
  当y≥90,即-x+200≥90时,x≤110,W=(x-38)(-x+200)-2000=-x2+238x-9600
  (3) 当110  当40≤x≤110时,W=-x2+238x-9600,所以该函数图象是抛物线的一部分,又因为该抛物线开口向下,对称轴是直线x=119,在对称轴左侧W随x的增大而增大.∴当x=110,W最大=4480.而4480>4400,因此,当销售单位定为110元时,年获利润最大,最大利润为4480万元.   评注 市场营销问题,应根据题目所给等量关系表示利润,从而列出函数关系式,同时还应能根据不同的条件列出不同的函数,再根据二次函数的性质及自变量取值范围求最大利润.自变量的取值范围对求函数的最大(小)值,有很大影响,因此,对于列出的不同函数,需要进行充分分析比较考虑.对于求运动图形的重叠部分最大面积的问题,更要根据运动的不同位置列出不同的函数关系式,然后再利用各函数性质在各自的取值范围内求出各自的最值,最后通过比较分析求出符合题意的最值.
  四、 利用相关几何图形的性质求最值
  (一) 根据图形运动的位置求最值
  例6 (2012年,大连) 如图,一条抛物线与x轴相交于A、B两点,其顶点P在折线C-D-E上移动,若点C、D、E的坐标分别为(-1,4)、(3,4)、(3,1),点B的横坐标的最小值为1,则点A的横坐标的最大值为( )
  A. 1 B. 2
  C. 3 D. 4
  解析 根据二次函数的图像,结合顶点P的运动路线,显然,当抛物线顶点为C时,B点的横坐标最小.设抛物线y=a(x+1)2+4,当x=1时,y=0,可得a=-1.所以抛物线的解析式为y=-(x+1)2+4.又由图像的运动位置可知,当抛物线顶点为E点时,A点的横坐标最大,此时y=-(x-3)2+1.当y=0时,(x-3)2=1,得x=4,x=2.故点A的横坐标的最大值是2,选B.
  (二) 利用作对称点的方法求线段和或周长的最小值
  例7 (2012·恩施州)如图,已知抛物线y=-x2+bx+c与一直线相交于A(-1,0),C(2,3)两点,与y轴交于点N.其顶点为D.
  (1) 求抛物线及直线AC的函数关系式;
  (2) 设点M(3,m),求MN+MD的最小值,并求使MN+MD的值最小时m的值;
  (3) 若抛物线的对称轴与直线AC相交于点B,E为直线AC上的任意一点,过点E作EF∥BD交抛物线于点F,以B,D,E,F为顶点的四边形能否为平行四边形?若能,求点E的坐标;若不能,请说明理由;
  (4) 若P是抛物线上位于直线AC上方的一个动点,求△APC的面积的最大值.
  解析 (1) 利用待定系数法可求二次函数解析式为y=-x2+2x+3,一次函数直线AC的解析式为y=x+1;(2) 由抛物线y=-x2+2x+3易得N(0,3),作N点关于直线x=3的对称点N′,则N′(6, 3),连接D、N′,则DN′与直线x=3的交点即为M点.此时,MN+MD的值最小,MN+MD的最小值即是线段DN′的长度,其值为.由N′(6, 3),D(1,4),可得直线DN′的函数关系式为y=-x+,显然,M(3,m)在直线DN′上,易求m= -×3+=;
  (3) 需要分类讨论:①当点E在线段AC上时,点F在点E上方,则F(x,x+3)和②当点E在线段AC(或CA)延长线上时,点F在点E下方,则F(x,x-1),然后利用二次函数图象上点的坐标特征可以求得点E的坐标;
  (4) 方法一:过点P作PQ⊥x轴交AC于点Q;过点C作CG⊥x轴于点G,如图1.设Q(x,x+1),则P(x,-x2+2x+3).根据两点间的距离公式可以求得线段PQ=-x2+x+2;最后由图示以及三角形的面积公式知S△APC =S△APQ+S△CPQ= PQ·AG -x-2+,所以由二次函数的最值的求法可知△APC的面积的最大值为;方法二:过点P作PQ⊥x轴交AC于点Q,交x轴于点H;过点C作CG⊥x轴于点G,如图2.设Q(x,x+1),则P(x,-x2+2x+3).根据图示以及三角形的面积公式知S△APC=S△APH+S直角梯形PHGC-S△AGC=-x-2+,所以由二次函数的最值的求法可知△APC的面积的最大值为;
  (三) 利用三角形的三边关系求线段差的最大值
  例8 (2011年·兰州)如图所示,在平面直角坐标系xOy中,正方形OABC的边长为2cm,点A、C分别在y轴的负半轴和x轴的正半轴上,抛物线y=ax2+bx+c经过点A、B和D(4,-).
  (1) 求抛物线的解析式.
  (2) 如果点P由点A出发沿AB边以2cm/s的速度向点B运动,同 时点Q由点B出发沿BC边以1cm/s的速度向点C运动,当其中一点到达终点时,另一点也随之停止运动. 设S=PQ2 (cm2)
  ①试求出S与运动时间t之间的函数关系式,并写出t的取值范围;
  ②当S取时,在抛物线上是否存在点R,使得以P、B、Q、R为顶点的四边形是平行四边形?如果存在,求出R点的坐标;如果不存在,请说明理由.
  (3) 在抛物线的对称轴上求点M,使得M到D、A的距离之差最大,并求出点M的坐标及M到D、A的距离之差的最大值.
  解析 (1) 设抛物线的解析式是y=ax2+bx+c,把A(0,-2),B(2,-2),D(4,-)的坐标代入即可求得抛物线的解析式为:y=x2-x-2; (2)①由PB=2-2t,BQ=t,∴S=PQ2=PB2+BQ2=(2-2t)2+t2,
  即S=5t2-8t+4(0≤t≤1).②假设存在点R,分三种情况:【A】假设R在BQ的右边,这时QR=PB,RQ∥PB,此时存在R(3,-)满足题意【B】假设R在BQ的左边,这时PR=QB,PR∥QB,即R(1,-),代入,y=x2-x-2左右两边不相等,R不在抛物线上;【C】假设R在PB的下方,这时PR=QB,PR∥QB,则:R(1,-)代入,y=x2-x-2左右不相等,∴R不在抛物线上.(1分)综上所述,存点一点R(3,-)满足题意
  (3)由于点A关于抛物线的对称轴的对称点为B,过B、D的直线与抛物线的对称轴的交点即为所求点M,此时,M到D、A的距离之差最大,此时, MD-MA=MD-MB=BD,即差的最大值为线段BD的长,易求其值为. ( 因为,如在对称轴上另取一异于M的点M′,由于M′,B,D不在同一直线上,根据三角形的三边关系,显然总有M′D-M′B  评注 在二次函数中常常会遇到与线段之和最小值、线段之差最大值、三角形周长最小值、某运动图形的最值等有关问题.解决这类问题首先要有相关的平面几何知识,其解题的理论依据主要是“两点之间线段最短”“点到直线的距离垂线段最短”“三角形的两边之差小于第三边”“ 三角形的两边之和大于第三边”等.解题的策略是:根据点或图形运动的位置求相应的最值,或通过作对称点方法,把要相加的线段(或要相减的线段)等量代换放置在同一条直线上,然后求出相应直线的解析式,从而求出相关点的坐标或相关图形的最值.这种将几何问题与函数问题有机的融合在一起,体现了数形结合的思想,充分考查了学生观察、分析、归纳的能力,以及综合运用所学知识解决问题的能力.具有较强的选拔功能.
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