用平移坐标法探究平行四边形的存在问题

存在性问题是近年来各地中考的热点,其图形复杂,不确定因素较多,对学生的知识运用分析能力要求较高,有一定的难度.为此借用简单的平移坐标法来探究平行四边形的存在性问题.

1.          平移坐标法的探究

1.1      课本习题

题目:(人教版《数学》七年级(下)习题6.2第1题)  如图1,三架飞机P、Q、R保持编队飞行,分别写出他们的坐标.30秒后,飞机P飞到P′ 的位置,飞机Q、R飞到了什么位置?分别写出这三架飞机新位置的坐标.

  

  

图1                    图2                      图3

分析:三架飞机保持编队飞行,实际上是三架飞机保持相对位置不变,相当于△PQR作了整体的平移,因此当飞机P平移到P′ 的位置时,飞机Q和R与飞机P进行了相同的平移变换.

解:由图中看出四个点坐标分别为P(-1,1)、Q(-3,1)、R(-1,-1)、P′(4,3),点P(-1,1)平移到点P′(4,3),横坐标加了5,纵坐标加了2,所以Q→Q′、R→R′ 的坐标变化也一样,从而Q′点的坐标为(2,3)、R′点的坐标为(4,1).

本题中求出点Q′、R′ 坐标依据的是平移的性质:对一个图形进行平移,图形上所有点的横、纵坐标都要相应发生相同的变化.

1.2 模型探究

如图2,点A、B、C是坐标平面内不在同一直线上的三点.

(1)画出以A、B、C三点为顶点的平行四边形.

(2)若A、B、C三点的坐标分别为

  、

  、

  ,写出第四个顶点D的坐标.

解:(1)如图3, 过A、B、C分别作BC、AC、AB的平行线,则以A、B、C三点为顶点的平行四边形有三个:以BC为对角线,有□CABD1;以AC为对角线,有□ABCD2;以AB为对角线,有□ACBD3.

(2)在□CABD1中,线段AC平移到BD1,因A→B横坐标增加(

  )、纵坐标增加(

  ),根据坐标平移的性质得D1(

  ,

  ).

同理得D2(

  ,

  )、D3(

  ,

  ).

结论:以不在同一直线上的三点为顶点的平行四边形有三个.由已知的三点坐标可根据图形平移的坐标性质,直接写出第四个顶点的坐标.姑且称之为平移坐标法.

2.  平移坐标法的运用

平移坐标法能否用来探究平行四边形的存在性问题呢?

2.1. 三个定点,一个动点,探究平行四边形的存在性.

例1 (2009烟台)如图4,抛物线

  与

  轴交于

  两点,与

  轴交于C点,且经过点(

  ,

  ),对称轴是直线

  ,顶点是

  .

(1) 求抛物线对应的函数表达式;

(2) 经过

  两点作直线与

  轴交于点

  ,在抛物线上是否存在这样的点

  ,使以点P、A、C、N为顶点的四边形为平行四边形?

  

图4                            图5

解:(1)抛物线的函数表达式为

  .

(2)由已知条件易探究得A、C、N三点坐标为A

  、 C

  、 N

  .

下面探讨以三点A、C、N为顶点的平行四边形的第四个顶点坐标. 如图5,由平移的性质直接写出第四个顶点的坐标:以CN为对角线,第四个顶点坐标为

  ;以AC为对角线,第四个顶点坐标为

  ;以AN为对角线,第四个顶点坐标为

  .将其分别代入抛物线

  中检验,其中只有

  在抛物线上.

点评:本题已知三个定点坐标的具体数值,可以根据坐标平移的性质直接写出第四个顶点的坐标.值得注意的是,若没有约定由三点构成的三条线段中哪条为边或对角线,则三种情况都必须考虑.

例2  (2009湖州)已知抛物线

  (

  )与

  轴相交于点

  ,顶点为

  .直线

  与

  轴相交于

  点,与直线

  相交于点

  .

(1) 填空:试用含

  的代数式分别表示点

  与

  的坐标,则

  ;

(2) 如图6,在抛物线

  (

  )上是否存在一点

  ,使得以

  为顶点的四边形是平行四边形?

  

图6                                  图7

解:(1)

  .

(2) 由已知条件易探究得A、C、N三点坐标为A

  、C

  、N

  .

下面探讨以A、C、N三点为顶点的平行四边形的第四个顶点的坐标,如图7.

若以CN为对角线,第四个顶点为

  ,代入解析式得

  ,即

  ;

若以AC为对角线,第四个顶点为

  ,代入解析式得

  ,即

  ;

若以AN为对角线,第四个顶点为

  ,代入解析式得

  >0,不合题意,无解.

∴所以在抛物线上存在点

  和

  ,使得以

  为顶点的四边形是平行四边形.

点评:①本题已知三个定点坐标,虽不是具体数值(含字母a),但依然可以根据坐标平移的性质直接写出第四个顶点的坐标.②看上去此法冗长,三种情况必须逐一探究,但思路简单,解题严谨.有些解法通过分析图形认为以AN为对角线显然不可能,其实对于学生来说这个“显然”并不显然.抛物线的走向和弯曲程度学生是难以判断的,更何况这是一个含字母系数的二次函数.这样讨论更严谨!

2.2  两个定点、两个动点,探究平行四边形的存在性。

例3  (2009抚顺) 已知:如图8,关于

  的抛物线

  与

  轴交于点

  、点

  ,与

  轴交于点

  .

(1)求出此抛物线的解析式,并写出顶点坐标;

(2)在抛物线上有一点

  ,使四边形

  为等腰梯形,写出点

  的坐标,并求出直线

  的解析式;

(3)在(2)中的直线

  交抛物线的对称轴于点

  ,抛物线上有一动点

  ,

  轴上有一动点

  .是否存在以

  为顶点的平行四边形?

解:(1)抛物线解析式为

  ,顶点坐标是(2,4).

(2)点

  坐标为

  , 直线

  的解析式为

  .

  

图8                            图9

(3)直线

  与抛物线对称轴

  的交点坐标为M(2,2).

假设

  轴上动点Q的坐标为

  .下面探讨以A、M、Q三点为顶点的平行四边形的第四个顶点坐标.(图9).

若以MQ为对角线,第四个顶点坐标为

  ,代入

  得

  .

若以AM为对角线,第四个顶点坐标为

  ,代入

  得

  .

若以AQ为对角线,第四个顶点坐标为

  ,代入

  得

  .

∴存在满足条件的点有四个:

  ,

  ,

  ,

点评:先假设一个动点的坐标,将其看成一个定点,按照平移的性质,写出第四个顶点的坐标.再由另一动点应满足的条件,求出相应的坐标.

上述例题中总有两个点在同一坐标轴上,尚可通过平移和旋转来探究平行四边形的存在问题.如果题目中没有两点在同一坐标轴上,难么,难以通过分析图形的相互位置关系来探究平行四边形的存在问题.然而平移坐标法将是解决这一问题的一个法宝.(见附件)

例4  (2009南平)如图12,已知抛物线:

(1)求抛物线

  的顶点坐标.

(2)将

  向右平移2个单位,再向上平移1个单位,得到抛物线

  ,求

  的解析式.

(3)抛物线

  的顶点为P,

  轴上有一动点M,在

  、

  这两条抛物线上是否存在点N,使O、P、M、N四点构成以OP为一边的平行四边形?

  

图12                                    图13

解:(1)

  的顶点坐标是(2,2)

(2)

  =

(3)假设

  轴上动点M坐标为

  .有已知条件易得P

下面探究以O、P、M三点为顶点(OP为边)的平行四边形第四个顶点N的坐标.

如图13,因为P为抛物线

  、

  的最高点,若以PM为对角线,有PN∥OM,则点N不可能在抛物线

  或

  上,故不可能存在满足条件的点;若以OM为对角线,用平移坐标法看出点N坐标为

  .

若点N 在抛物线

  上,可得:

  或

  ;

若点N在抛物线

  上,可得:

  或

  .

∴存在满足条件的N点有四个:

  、

  、

  、

  .

点评:①本题中N点可以在抛物线

  上,也可以在抛物线

  上,运动的范围较大,学生难以探索,用平移坐标法不必分析复杂的图形,降低了分析的难度,体现了平移坐标法强大的解题功效. ②本题中因确定了以OP为一边,所以只有两种情况需要探究.

3           平移坐标法的思考

平移坐标法不是探讨和论证线段的相等、三角形的全等……,而是用动态的观点看待几何图形——把平行四边形看成是由一条线段平移而成,用数的运算来描述图形的变化——用坐标表示平移,其本质是用几何变换去认识几何图形,用代数方法来解决几何问题,体现的是解析几何的思想、数形结合的思想、几何变换的思想.

平移坐标法的思路:先由题目条件探索三点的坐标(若只有两个定点,可设一个动点的坐标). 再画出以三点为顶点的平行四边形,根据坐标平移的性质写出第四个顶点的坐标.最后根据题目的要求(动点在什么曲线上),判断平行四边形的存在性.

平移坐标法的特点:  ①不会遗漏. 平移坐标法回避了对复杂图形的相互关系的分析;②不需证明.平移坐标法直接写出第四个点的坐标,跨越了复杂的推理过程,回避了繁琐的证明;③不限条件.平移坐标法适用范围广,无论定点在什么位置、无论动点在哪几条曲线上、在什么曲线上,都可以探索,真正是以不变应万变.

由课本习题偶然发现可以通过平移直接写出点的坐标,于是笔者进一步研究发现,新课程把“平面直角坐标系”前移,同时新增了“用坐标表示平移”的内容,实际就是要用代数的方法研究几何问题,加强数形之间的联系,突出数形结合的思想.这启发我们在日常的教学活动中,要加强对新课程的研究,渗透新课程的理念,按照新课程的要求及时渗透数形结合的思想、几何变换的思想,引导学生从不同的角度思考问题,这样才能从教材简单的例、习题中获得解决问题的新方法、新思想,才能引导学生重视教材,同时培养学生探索的能力和创新的意识.

附:(2007·浙江义乌)如图10,抛物线

  与x轴交A、B两点(A点在B点左侧),直线

  与抛物线交于A、C两点,其中C点的横坐标为2.

(1)求A、B 两点的坐标及直线AC的函数表达式;

(2)点G是抛物线上的动点,在x轴上是否存在点F,使得以A、C、F、G这样四点为顶点的四边形是平行四边形?

  

图10                             图11

变式  图11,若已知Q

  ,点G是抛物线

  上的动点,在抛物线

  上是否存在点F,使得以Q、C、F、G四点为顶点的四边形是平行四边形?

解题思路: 设F点坐标为(a,

  ),那么转化为三个定点问题,三个定点是Q

  ,C(2,-3),F(a,

  ),直接写出点G坐标,后代入

  中,就可求出a,从而知F点坐标。 也可设G点坐标,再写出F点坐标,代入

  也可。

存在性问题是近年来各地中考的热点,其图形复杂,不确定因素较多,对学生的知识运用分析能力要求较高,有一定的难度.为此借用简单的平移坐标法来探究平行四边形的存在性问题.

1.          平移坐标法的探究

1.1      课本习题

题目:(人教版《数学》七年级(下)习题6.2第1题)  如图1,三架飞机P、Q、R保持编队飞行,分别写出他们的坐标.30秒后,飞机P飞到P′ 的位置,飞机Q、R飞到了什么位置?分别写出这三架飞机新位置的坐标.

  

  

图1                    图2                      图3

分析:三架飞机保持编队飞行,实际上是三架飞机保持相对位置不变,相当于△PQR作了整体的平移,因此当飞机P平移到P′ 的位置时,飞机Q和R与飞机P进行了相同的平移变换.

解:由图中看出四个点坐标分别为P(-1,1)、Q(-3,1)、R(-1,-1)、P′(4,3),点P(-1,1)平移到点P′(4,3),横坐标加了5,纵坐标加了2,所以Q→Q′、R→R′ 的坐标变化也一样,从而Q′点的坐标为(2,3)、R′点的坐标为(4,1).

本题中求出点Q′、R′ 坐标依据的是平移的性质:对一个图形进行平移,图形上所有点的横、纵坐标都要相应发生相同的变化.

1.2 模型探究

如图2,点A、B、C是坐标平面内不在同一直线上的三点.

(1)画出以A、B、C三点为顶点的平行四边形.

(2)若A、B、C三点的坐标分别为

  、

  、

  ,写出第四个顶点D的坐标.

解:(1)如图3, 过A、B、C分别作BC、AC、AB的平行线,则以A、B、C三点为顶点的平行四边形有三个:以BC为对角线,有□CABD1;以AC为对角线,有□ABCD2;以AB为对角线,有□ACBD3.

(2)在□CABD1中,线段AC平移到BD1,因A→B横坐标增加(

  )、纵坐标增加(

  ),根据坐标平移的性质得D1(

  ,

  ).

同理得D2(

  ,

  )、D3(

  ,

  ).

结论:以不在同一直线上的三点为顶点的平行四边形有三个.由已知的三点坐标可根据图形平移的坐标性质,直接写出第四个顶点的坐标.姑且称之为平移坐标法.

2.  平移坐标法的运用

平移坐标法能否用来探究平行四边形的存在性问题呢?

2.1. 三个定点,一个动点,探究平行四边形的存在性.

例1 (2009烟台)如图4,抛物线

  与

  轴交于

  两点,与

  轴交于C点,且经过点(

  ,

  ),对称轴是直线

  ,顶点是

  .

(1) 求抛物线对应的函数表达式;

(2) 经过

  两点作直线与

  轴交于点

  ,在抛物线上是否存在这样的点

  ,使以点P、A、C、N为顶点的四边形为平行四边形?

  

图4                            图5

解:(1)抛物线的函数表达式为

  .

(2)由已知条件易探究得A、C、N三点坐标为A

  、 C

  、 N

  .

下面探讨以三点A、C、N为顶点的平行四边形的第四个顶点坐标. 如图5,由平移的性质直接写出第四个顶点的坐标:以CN为对角线,第四个顶点坐标为

  ;以AC为对角线,第四个顶点坐标为

  ;以AN为对角线,第四个顶点坐标为

  .将其分别代入抛物线

  中检验,其中只有

  在抛物线上.

点评:本题已知三个定点坐标的具体数值,可以根据坐标平移的性质直接写出第四个顶点的坐标.值得注意的是,若没有约定由三点构成的三条线段中哪条为边或对角线,则三种情况都必须考虑.

例2  (2009湖州)已知抛物线

  (

  )与

  轴相交于点

  ,顶点为

  .直线

  与

  轴相交于

  点,与直线

  相交于点

  .

(1) 填空:试用含

  的代数式分别表示点

  与

  的坐标,则

  ;

(2) 如图6,在抛物线

  (

  )上是否存在一点

  ,使得以

  为顶点的四边形是平行四边形?

  

图6                                  图7

解:(1)

  .

(2) 由已知条件易探究得A、C、N三点坐标为A

  、C

  、N

  .

下面探讨以A、C、N三点为顶点的平行四边形的第四个顶点的坐标,如图7.

若以CN为对角线,第四个顶点为

  ,代入解析式得

  ,即

  ;

若以AC为对角线,第四个顶点为

  ,代入解析式得

  ,即

  ;

若以AN为对角线,第四个顶点为

  ,代入解析式得

  >0,不合题意,无解.

∴所以在抛物线上存在点

  和

  ,使得以

  为顶点的四边形是平行四边形.

点评:①本题已知三个定点坐标,虽不是具体数值(含字母a),但依然可以根据坐标平移的性质直接写出第四个顶点的坐标.②看上去此法冗长,三种情况必须逐一探究,但思路简单,解题严谨.有些解法通过分析图形认为以AN为对角线显然不可能,其实对于学生来说这个“显然”并不显然.抛物线的走向和弯曲程度学生是难以判断的,更何况这是一个含字母系数的二次函数.这样讨论更严谨!

2.2  两个定点、两个动点,探究平行四边形的存在性。

例3  (2009抚顺) 已知:如图8,关于

  的抛物线

  与

  轴交于点

  、点

  ,与

  轴交于点

  .

(1)求出此抛物线的解析式,并写出顶点坐标;

(2)在抛物线上有一点

  ,使四边形

  为等腰梯形,写出点

  的坐标,并求出直线

  的解析式;

(3)在(2)中的直线

  交抛物线的对称轴于点

  ,抛物线上有一动点

  ,

  轴上有一动点

  .是否存在以

  为顶点的平行四边形?

解:(1)抛物线解析式为

  ,顶点坐标是(2,4).

(2)点

  坐标为

  , 直线

  的解析式为

  .

  

图8                            图9

(3)直线

  与抛物线对称轴

  的交点坐标为M(2,2).

假设

  轴上动点Q的坐标为

  .下面探讨以A、M、Q三点为顶点的平行四边形的第四个顶点坐标.(图9).

若以MQ为对角线,第四个顶点坐标为

  ,代入

  得

  .

若以AM为对角线,第四个顶点坐标为

  ,代入

  得

  .

若以AQ为对角线,第四个顶点坐标为

  ,代入

  得

  .

∴存在满足条件的点有四个:

  ,

  ,

  ,

点评:先假设一个动点的坐标,将其看成一个定点,按照平移的性质,写出第四个顶点的坐标.再由另一动点应满足的条件,求出相应的坐标.

上述例题中总有两个点在同一坐标轴上,尚可通过平移和旋转来探究平行四边形的存在问题.如果题目中没有两点在同一坐标轴上,难么,难以通过分析图形的相互位置关系来探究平行四边形的存在问题.然而平移坐标法将是解决这一问题的一个法宝.(见附件)

例4  (2009南平)如图12,已知抛物线:

(1)求抛物线

  的顶点坐标.

(2)将

  向右平移2个单位,再向上平移1个单位,得到抛物线

  ,求

  的解析式.

(3)抛物线

  的顶点为P,

  轴上有一动点M,在

  、

  这两条抛物线上是否存在点N,使O、P、M、N四点构成以OP为一边的平行四边形?

  

图12                                    图13

解:(1)

  的顶点坐标是(2,2)

(2)

  =

(3)假设

  轴上动点M坐标为

  .有已知条件易得P

下面探究以O、P、M三点为顶点(OP为边)的平行四边形第四个顶点N的坐标.

如图13,因为P为抛物线

  、

  的最高点,若以PM为对角线,有PN∥OM,则点N不可能在抛物线

  或

  上,故不可能存在满足条件的点;若以OM为对角线,用平移坐标法看出点N坐标为

  .

若点N 在抛物线

  上,可得:

  或

  ;

若点N在抛物线

  上,可得:

  或

  .

∴存在满足条件的N点有四个:

  、

  、

  、

  .

点评:①本题中N点可以在抛物线

  上,也可以在抛物线

  上,运动的范围较大,学生难以探索,用平移坐标法不必分析复杂的图形,降低了分析的难度,体现了平移坐标法强大的解题功效. ②本题中因确定了以OP为一边,所以只有两种情况需要探究.

3           平移坐标法的思考

平移坐标法不是探讨和论证线段的相等、三角形的全等……,而是用动态的观点看待几何图形——把平行四边形看成是由一条线段平移而成,用数的运算来描述图形的变化——用坐标表示平移,其本质是用几何变换去认识几何图形,用代数方法来解决几何问题,体现的是解析几何的思想、数形结合的思想、几何变换的思想.

平移坐标法的思路:先由题目条件探索三点的坐标(若只有两个定点,可设一个动点的坐标). 再画出以三点为顶点的平行四边形,根据坐标平移的性质写出第四个顶点的坐标.最后根据题目的要求(动点在什么曲线上),判断平行四边形的存在性.

平移坐标法的特点:  ①不会遗漏. 平移坐标法回避了对复杂图形的相互关系的分析;②不需证明.平移坐标法直接写出第四个点的坐标,跨越了复杂的推理过程,回避了繁琐的证明;③不限条件.平移坐标法适用范围广,无论定点在什么位置、无论动点在哪几条曲线上、在什么曲线上,都可以探索,真正是以不变应万变.

由课本习题偶然发现可以通过平移直接写出点的坐标,于是笔者进一步研究发现,新课程把“平面直角坐标系”前移,同时新增了“用坐标表示平移”的内容,实际就是要用代数的方法研究几何问题,加强数形之间的联系,突出数形结合的思想.这启发我们在日常的教学活动中,要加强对新课程的研究,渗透新课程的理念,按照新课程的要求及时渗透数形结合的思想、几何变换的思想,引导学生从不同的角度思考问题,这样才能从教材简单的例、习题中获得解决问题的新方法、新思想,才能引导学生重视教材,同时培养学生探索的能力和创新的意识.

附:(2007·浙江义乌)如图10,抛物线

  与x轴交A、B两点(A点在B点左侧),直线

  与抛物线交于A、C两点,其中C点的横坐标为2.

(1)求A、B 两点的坐标及直线AC的函数表达式;

(2)点G是抛物线上的动点,在x轴上是否存在点F,使得以A、C、F、G这样四点为顶点的四边形是平行四边形?

  

图10                             图11

变式  图11,若已知Q

  ,点G是抛物线

  上的动点,在抛物线

  上是否存在点F,使得以Q、C、F、G四点为顶点的四边形是平行四边形?

解题思路: 设F点坐标为(a,

  ),那么转化为三个定点问题,三个定点是Q

  ,C(2,-3),F(a,

  ),直接写出点G坐标,后代入

  中,就可求出a,从而知F点坐标。 也可设G点坐标,再写出F点坐标,代入

  也可。


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