“创新?运算素养”视角下一道初三数学题的深入探究

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  摘要:二次函数压轴题是历年中考的热点与难点,其中动点与几何图形结合的最值问题?存在性问题,知识覆盖面广,综合性强,构思精巧,解题方法灵活,对学生分析问题和解决问题的能力要求较高,是近几年中考的热点。最值问题解决策略是建立函数模型,根据自变量范围求解最值;存在性问题解决的一般思路:假设存在→推理论证→得出结论,解决此类问题策略是化动为静,化大为小,逐一解决的过程。
  关键词:二次函数  最值问题  存在性问题   
  函数是中学数学中相当重要的一部分内容,其中求函数的最值问题和存在性问题是一个重点,但由于函数形式的多样性和复杂性,如何求解函数的存在性问题又是中学生學习的一个难点。因此关于此项内容的研究一直就是本学科的一个重点内容。
  《义务教育数学课程标准(2011)版》提出10个数学核心素养,包括符号意识,数感,几何直观,运算能力,推理能力,数据分析观念,空间观念,模型思想,应用意识和创新意识。在数学教学中,一题多解,变式训练都是培养学生创新素养的方式。本文着重讨论一个典型的二次函数最值和存在性问题,通过变式训练?逻辑归纳和灵活运算,培养学生的创新?运算素养,达到综合提升学生的数学学科素养的目标。
  一?中考解读
  二次函数是中考必考内容,难度高,综合性强,既可以与代数知识相结合,又可以与几何知识相结合,与几何相关的二次函数最值和存在性问题更是重中之重,该类存在性问题主要有线段存在性?面积存在性?特殊三角形存在性?相似三角形存在性?特殊四边形存在性和角的存在性等问题,在这里精选典型例题有选择地针对某些方面进行深入探究。
  二?典例分析
  题目:如图,抛物线y=-x2+bx+cx轴交于A(4,0),B(-1,0)两点与y轴交于点C,动点P在抛物线上.①求抛物线的解析式;②若点P是第一象限抛物线上一动点,过P作X轴的垂线,垂足为点E,交直线AC于点F,当线段PF有最大值时,求点P的坐标,并求出线段PF的最大值。③是否存在点P,使得△ACP是以AC为直角边的直角三角形?若存在,求出所有符合条件的点P的坐标;若不存在,说明理由.
  分析如下:①待定系数法求解析式。将已知点A(4,0),B(-1,0)坐标带入抛物线y=-x2+bx+c得到关于b,c的二元一次方程组,解方程组得到b,c的值,从而得到抛物线解析式y=-x2+3x+4;②由(1)得点C(0,4),再由点A(4,0),待定系数法求得直线AC解析式

,根据抛物线解析式y=-x2+3x+4,设点P(x,-x2+3x+4),,点F(x,-x+4),根据题意PF=(-x2+3x+4)-(-x+4)=-x2+4x=-(x-2)2 +4(0≤x≤4),当x=2时,PF最大值=4,则P(2,6)
  挖掘变式1:当点P是抛物线上任意一点时,过P作X轴的垂线,垂足为点E,交直线AC于点F,当线段PF有最大值时,求点P的坐标,并求出线段PF的最值?
  分类讨论:设点P(x,-x2+3x+4),,点F(x,-x+4);当点P在点F上方时,PF=(-x2+3x+4)-(-x+4)=-x2+4x=-(x-2)2 +4(0≤x≤4);当x=2时,PF最大值=4;当点P在点F下方时,PF=(-x+4)-(-x2+3x+4)=x2-4x=(x-2)2 -4;当x=2时,PF最小值=-4,挖掘变式2:对称轴上一动点P到点C,B的距离之和最短。求点P的坐标?(最短路径解决)(3)存在.
  方法一:第一种情况,当以点C为直角顶点时,过点C作CP1垂直AC,交抛物线于点P1.过点P1作y轴的垂线,垂足是M,∵∠ACP1=900,∴∠MCP+∠ACO=900,∵∠ACO+∠OAC=900 ,∴∠MCP1=∠OAC,∵OA=OC=4,∴∠MCP1=∠OAC=450,∴∠MCP1=∠MP1C,MC=MP1,设P(m,-m2+3m+4),则m=-m2+3m+4-4,解得m1=0(舍去),m2=2,∴m=2,此时-m2+3m+4=6,即p1的坐标是(2,6)
  第二种情况,当点A为直角顶点时,过点A作AP2⊥AC交抛物线于点p2过点P2作y轴的垂线,垂足是N,AP交y轴于点F,则P2N平行x轴.∵∠CAO=450∴∠OAP2=45.,AO=OF,∴P2N=NF,设P2(n,-n2+3n+4),   则-n+4=-(-n2+3n+4),解得:n1=-2,n2=4(舍去),∴n=-2,此时-n2+3n+4=-6,即P2的坐标是(-2,-6),综上所述:P的坐标是(2,6)或(-2,-6)此方法用分類讨论的数学思想,通过作垂线,借助已知条件,构造等腰三角形,利用等腰三角形两边相等特质建立方程模型解决问题。这是学生常用的方法,在这里对学生思路的启发是重点。
  方法二:直线AC解析式:y=-x+4,∵AC为直角三角形的直角边,则设另一条直角边PC为:y=x+k,过点C(0,4);即直线PC:y=x+4,又点P既在直线AC上,又在抛物线上联立方程组:,解得x=0(舍去), x=2即p(2,6),同理直线PA:y=x-4与抛物线解析式联立方程组,求解得P(-2,-6),综上所述:P的坐标是(2,6)或(-2,-6),此方法在明确一次函数和二次函数与方程的关系的基础上,建立方程组模型解决问题。该方法思路简单,直接明了,重在计算。
  挖掘变式3:抛物线上是否存在点P,满足三角形PCA是直角三角形?存在,求点P坐标;不存在,请说明理由。
  挖掘变式4:抛物线上是否存在点P,满足三角形PCA是等腰三角形?存在,求点P坐标;不存在,请说明理由。
  三?思考总结
  通过对这道二次函数重点题型的最值和存在性问题的深入剖析,充分挖掘,归纳方法:二次函数最值问题解决方法是可以建立二次函数模型,根据自变量的取值范围轻松求解;二次函数存在性问题解决的一般思路是“假设存在→推理论证→得出结论”,解决此类问题策略是化动为静,化大为小,逐一解决的过程。
  通过对这道二次函数重点题型的最值和存在性问题的一步步探索,使学生亲身经历探索知识和函数建模的思维过程。通过数形结合?分类讨论思想地洗礼,使学生解题的思维灵活性与深刻性得到深刻的锻炼,使学生的数学创新素养与运算素养得到无形的提升。
  二次函数是初中数学的重要内容,也是初高中数学知识衔接的重要内容,二次函数已经成为中考命题的重头戏。尤其是这些以二次函数为背景的动点最值问题?存在性问题,它融合了一次函数?平面几何等知识点,综合性较强,区分度高,受到命题组的一致青睐。因此通过典例训练,能够培养学生的数学能力,提高学生数学成绩,提升学生创新素养和运算素养,提升学生整体数学学科核心素养。
  参考文献:
  (1)王真.二次函数压轴题解题策略.中考数学试题研究.[J],2018(02)
  (2)李远翠,潘亦宁,李玥.二次函数动点存在性问题的破解策略[J].中学数学教学参考,2016(1)
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