如图,抛物线 y=x2+bx+cy=x^2+bx+c 交 xx 轴于 AA、BB 两点,交 yy 轴于点 CC.直线 y=x−3y=x-3 经过点 BB、CC.

  1. (1)

    求抛物线的解析式;

  2. (2)

    PP 是直线 BCBC 下方的抛物线上一动点(不与点 BB、CC 重合),过点 PP 作 xx 轴的垂线,垂足为 FF,交直线 BCBC 于点 DD,作 PE⊥BCPE \perp BC 于点 EE.设点 PP 的横坐标为 mm,连接 PBPB,线段 PDPD 把 ΔPEB\Delta PEB 分成两个三角形,若这两个三角形的面积比为 4:54:5,求出 mm 的值.

完整解法

(1)

1. 求点 $B$ 和点 $C$ 的坐标

对于直线 y=x−3y = x - 3:
当 x=0x = 0 时,y=−3y = -3,故点 CC 的坐标为 (0,−3)(0, -3);
当 y=0y = 0 时,x−3=0x - 3 = 0,解得 x=3x = 3,故点 BB 的坐标为 (3,0)(3, 0).

2. 代入坐标求抛物线的解析式

将 B(3,0)B(3, 0) 和 C(0,−3)C(0, -3) 代入抛物线 y=x2+bx+cy = x^2 + bx + c 得:
{9+3b+c=0c=−3\begin{cases} 9 + 3b + c = 0 \\ c = -3 \end{cases}
解得:
{b=−2c=−3\begin{cases} b = -2 \\ c = -3 \end{cases}
因此,抛物线的解析式为 y=x2−2x−3y = x^2 - 2x - 3.

答案

y=x2−2x−3y = x^2 - 2x - 3

(2)

1. 用含 $m$ 的代数式表示点 $P$、$D$ 的坐标及线段 $PD$ 的长

由题意,点 PP 在直线 BCBC 下方的抛物线上,且横坐标为 mm,易知 0<m<30 < m < 3.
则点 PP 的坐标为 (m,m2−2m−3)(m, m^2 - 2m - 3).
因为 PF⊥xPF \perp x 轴交直线 BCBC 于点 DD,所以点 DD 的横坐标也为 mm,其坐标为 (m,m−3)(m, m - 3).
故线段 PDPD 的长为:
PD=yD−yP=(m−3)−(m2−2m−3)=−m2+3m=m(3−m)PD = y_D - y_P = (m - 3) - (m^2 - 2m - 3) = -m^2 + 3m = m(3 - m)

2. 分析 $\Delta PED$ 的形状并求其面积

直线 BCBC 的解析式为 y=x−3y = x - 3,其斜率为 11,因而直线 BCBC 与 xx 轴正方向的夹角为 45∘45^\circ.
又因为 PD∥yPD \parallel y 轴,所以直线 PDPD 与直线 BCBC 的夹角 ∠PDE=45∘\angle PDE = 45^\circ.
已知 PE⊥BCPE \perp BC 于点 EE,所以在 RtΔPED\text{Rt}\Delta PED 中,∠PED=90∘\angle PED = 90^\circ 且 ∠PDE=45∘\angle PDE = 45^\circ.
因此 ΔPED\Delta PED 是等腰直角三角形,得:
PE=ED=22PDPE = ED = \frac{\sqrt{2}}{2} PD
其面积为:
SΔPED=12PE⋅ED=12(22PD)2=14PD2=14[m(3−m)]2S_{\Delta PED} = \frac{1}{2} PE \cdot ED = \frac{1}{2} \left(\frac{\sqrt{2}}{2} PD\right)^2 = \frac{1}{4} PD^2 = \frac{1}{4} [m(3 - m)]^2

3. 求 $\Delta PDB$ 的面积及两三角形面积的比值

以 PDPD 为底,则点 B(3,0)B(3, 0) 到直线 PDPD(即直线 x=mx = m)的距离即为高,其值为 xB−xD=3−mx_B - x_D = 3 - m.
故 ΔPDB\Delta PDB 的面积为:
SΔPDB=12PD⋅(3−m)=12m(3−m)⋅(3−m)=12m(3−m)2S_{\Delta PDB} = \frac{1}{2} PD \cdot (3 - m) = \frac{1}{2} m(3 - m) \cdot (3 - m) = \frac{1}{2} m(3 - m)^2
因此,两三角形的面积比为:
SΔPEDSΔPDB=14m2(3−m)212m(3−m)2=m2\frac{S_{\Delta PED}}{S_{\Delta PDB}} = \frac{\frac{1}{4} m^2 (3 - m)^2}{\frac{1}{2} m (3 - m)^2} = \frac{m}{2}

4. 分类讨论面积比为 $4:5$ 建立方程并求解 $m$

线段 PDPD 把 ΔPEB\Delta PEB 分成的两个三角形为 ΔPED\Delta PED 和 ΔPDB\Delta PDB,其面积比为 4:54:5,需分两种情况讨论:
① 若 SΔPEDSΔPDB=45\dfrac{S_{\Delta PED}}{S_{\Delta PDB}} = \dfrac{4}{5},则:
m2=45  ⟹  m=85\frac{m}{2} = \frac{4}{5} \implies m = \frac{8}{5}
经检验,m=85∈(0,3)m = \dfrac{8}{5} \in (0, 3),符合题意;

② 若 SΔPDBSΔPED=45\dfrac{S_{\Delta PDB}}{S_{\Delta PED}} = \dfrac{4}{5},即 SΔPEDSΔPDB=54\dfrac{S_{\Delta PED}}{S_{\Delta PDB}} = \dfrac{5}{4},则:
m2=54  ⟹  m=52\frac{m}{2} = \frac{5}{4} \implies m = \frac{5}{2}
经检验,m=52∈(0,3)m = \dfrac{5}{2} \in (0, 3),符合题意.

综上所述,mm 的值为 85\dfrac{8}{5} 或 52\dfrac{5}{2}.

答案

m=85m = \dfrac{8}{5} 或 m=52m = \dfrac{5}{2}

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