综合百科

画圆先定中心点,半径和面积大小全靠它

一、基础轨迹类型

在几何学中,常见的基本轨迹类型主要包括:

(一)线性轨迹

1. 两固定点+等距离条件⇒垂直平分线轨迹

2. 两固定直线+等距离条件⇒两条角平分线轨迹

3. 一固定直线+定长距离⇒平行线轨迹(两条)

(二)圆弧轨迹

4. 一固定点+定长距离⇒圆形轨迹

5. 一固定直线+定角度条件⇒圆弧轨迹

典型例题解析

1. 给定平面直角坐标系中,四边形OABC的顶点坐标分别为O(0, 0)、A(5, 0)、B(m, 2)、C(m-5, 2)。

(1)探讨是否存在实数m,使得在BC边上总能找到点P,满足∠OPA=90°关系?若存在,确定m的取值范围;若不存在,请给出合理解释。

(2)当∠AOC与∠OAB的角平分线交点Q落在边BC上时,计算m的具体数值。

解析思路:

(1)BC边所在轨迹为平行于x轴且过点(0, 2)的直线段,长度恒为5。P点的轨迹是以OA为直径的圆。两轨迹的交点可确定P点坐标,解得P(1, 2)或(4, 2)。根据BC线段特性,可推导出满足条件的m值范围。

(2)由平行四边形性质可知∠AQO=90°,Q点与(1)中的P点重合,从而简化计算过程。

2. 如图所示,抛物线y=1/3(x-2)^2-4/3与x轴相交于点A。将抛物线下方部分沿x轴对称折叠至上方,形成新图像G。过点B(0, 1)作平行于x轴的直线l,与图像G交点从左至右依次为C、D、E、F。点P为图像G上横坐标为m的任意点,连接PD、PE,求ΔPDE面积不小于1时m的取值范围。

解析思路:

通过计算确定D(1, 1)、E(3, 1)两点坐标。当ΔPDE面积等于1时,点P到直线l的垂直距离为1,即P点位于两条平行线上。当面积大于1时,P点位于这两条平行线外侧。满足条件的m值范围由函数图像G与特定区域的交集决定,包括m=0、m=4、m≤2-√10、m≥2+√10等条件。

3. 在平面直角坐标系中,设二次函数为y=(x+a)(x-a-1),其中a≠0。已知点P(p, m)和Q(1, n)在函数图像上,且m>n,求p的取值范围。

解析思路:

通过计算确定抛物线对称轴为x=0.5。根据二次函数性质,点离对称轴越远函数值越大。点Q到对称轴距离为0.5,因此点P到对称轴距离需大于0.5。通过图像分析可得p1的取值范围。

二、动点轨迹与最值问题综合分析

(一)逆向思维方法

例1. 如图所示,点A在直线y=-x上移动,点B在x轴上移动,构成矩形ABCD,其中AB=2,AD=1。求OD距离的最大值。

解析方法:

常规思路应先确定D点轨迹,但直接分析较为困难。根据题意,∠AOB=45°或135°,且AB为定长,形成定线对定角的基本图形。因此O点位于以AB为弦的圆弧上。通过变换视角,将矩形与圆弧相对固定,O点成为圆P上的动点,即O点运动轨迹为圆P,从而OD可视为定点D到圆P的路径距离。

如图所示,易知PD距离为1,圆P半径为√2,因此OD最小值为√2-1,最大值为√2+1。

本题也可通过三角形三边关系进行分析,但需先验证AOB三点共圆且OPD可能共线。

当动点较多而定点较少时,可采用逆向思维方法,将运动部分相对静止,固定部分相对运动,使问题简化明了。

(二)关联联动模型

例2. 如图所示,已知点A(3, 0)、C(0, -4),圆C半径为√5,点P为圆C上任意动点。连接AP,M为AP中点,连接OM,求OM距离的最大值。

解析方法:

本题中O为定点,M为动点。M点随P点运动,且AM:AP=1:2,符合主从联动模型,M点轨迹为以AC中点为圆心、圆C半径一半为半径的圆。

如图所示,转化为定点O到定圆D的最短路径问题,可解得OM最大值为5/2+√5/2,最小值为5/2-√5/2。

此外,也可通过构造OQ=AO条件,使OM=1/2PQ,转化为求PQ最小值的定圆问题,本质相同。

(三)整体视角方法

例3. 已知圆O半径为3,点A、B在圆O上,∠BAC=90°,AB:AC=4:3,求OC距离的最小值。

解析方法:

本题中A、B均为圆O上的动点,完整绘制C点轨迹可能较复杂。通过动态观察可知C点轨迹为封闭圆环。

可采用以下方法解决:

(1)固定点A,使点B在圆O上运动一周,则C点轨迹为B点轨迹绕A点逆时针旋转90°所得,即圆O绕A点逆时针旋转90°形成的轨迹。再使A点运动一周,红色轨迹圆随之绕O点旋转一周,形成完整圆环。

如图所示,转化为求定点O到红色圆环的最短路径问题,内圆半径3√2-3即为OC最小值,外圆半径3√2+3即为最大值。

也可简化为固定A点于某位置,使C点随B点运动一周形成的圆D轨迹,转化为定点O到定圆D的最短路径问题,结果相同。

(2)固定点B,使A点在圆O上运动一周,则C点轨迹为A点轨迹绕B点逆时针旋转90°且放大√2倍所得,即圆O绕A点逆时针旋转90°且放大√2倍的轨迹。此时轨迹圆心D为O点绕B点逆时针旋转90°且放大√2倍的位置。

若将B点也运动一周,绿色轨迹圆随之绕O点旋转一周,形成绿色圆环,与红色圆环完全一致。

(3)采用旋转方法:将ΔACO绕A点顺时针旋转90°得ΔABD,CO转化为BD,且BD在ΔBOD中。由于BO、DO为定值,根据三角形三边关系可得DO-BO≤BD≤DO+BO。通过构造等腰直角三角形ADO,简化问题。

如图所示,本质仍为圆到圆的最短路径问题。DO=3√2,点D在以O为圆心3√2为半径的圆上,点B在以O为圆心3为半径的圆上,BD为两同心圆之间的路径,最小值为3√2-3,最大值为3√2+3。

实际解题时只需考虑其中一点运动即可,如图中红色圆P即可代表整个圆环轨迹。

动点轨迹理解要点:动点与其轨迹的关系如同树木与森林,单个动点运动形成轨迹,多个轨迹组合形成整体。数学与诗歌、哲学有着深刻联系。

变式问题:

已知圆O半径为3,点A、B在圆O上,∠BAC=90°,AB:AC=4:3,求OC距离的最小值。