Question

已知拋物線y_n=-（x-a_n）²+a_n（n為正整數(shù)，且0＜a₁＜a₂＜…＜a_n）與x軸的交點(diǎn)為A_n-1（b_n-1，0）和A_n（b_n，0），當(dāng)n=1時(shí)，第1條拋物線y₁=-（x-a₁）²+a₁與x軸的交點(diǎn)為A₀（0，0）和A₁（b₁，0），其他依此類(lèi)推．
（1）求a₁，b₁的值及拋物線y₂的解析式；
（2）拋物線y₃的頂點(diǎn)坐標(biāo)為（______，______）；依此類(lèi)推第n條拋物線y_n的頂點(diǎn)坐標(biāo)為（______，______）；所有拋物線的頂點(diǎn)坐標(biāo)滿足的函數(shù)關(guān)系式是______；
（3）探究下列結(jié)論：
①若用A_n-1A_n表示第n條拋物線被x軸截得的線段長(zhǎng)，直接寫(xiě)出A₀A₁的值，并求出A_n-1A_n；
②是否存在經(jīng)過(guò)點(diǎn)A（2，0）的直線和所有拋物線都相交，且被每一條拋物線截得的線段的長(zhǎng)度都相等？若存在，直接寫(xiě)出直線的表達(dá)式；若不存在，請(qǐng)說(shuō)明理由．

Answer 1

解：（1）∵當(dāng)n=1時(shí)，第1條拋物線y₁=-（x-a₁）²+a₁與x軸的交點(diǎn)為A₀（0，0），
∴0=-（0-a₁）²+a₁，解得a₁=1或a₁=0．
由已知a₁＞0，∴a₁=1，
∴y₁=-（x-1）²+1．
令y₁=0，即-（x-1）²+1=0，解得x=0或x=2，
∴A₁（2，0），b₁=2．
由題意，當(dāng)n=2時(shí)，第2條拋物線y₂=-（x-a₂）²+a₂經(jīng)過(guò)點(diǎn)A₁（2，0），
∴0=-（2-a₂）²+a₂，解得a₂=1或a₂=4，
∵a₁=1，且已知a₂＞a₁，
∴a₂=4，
∴y₂=-（x-4）²+4．
∴a₁=1，b₁=2，y₂=-（x-4）²+4．

（2）拋物線y₂=-（x-4）²+4，令y₂=0，即-（x-4）²+4=0，解得x=2或x=6．
∵A₁（2，0），
∴A₂（6，0）．
由題意，當(dāng)n=3時(shí)，第3條拋物線y₃=-（x-a₃）²+a₃經(jīng)過(guò)點(diǎn)A₂（6，0），
∴0=-（6-a₃）²+a₃，解得a₃=4或a₃=9．
∵a₂=4，且已知a₃＞a₂，
∴a₃=9，
∴y₃=-（x-9）²+9．
∴y₃的頂點(diǎn)坐標(biāo)為（9，9）．
由y₁的頂點(diǎn)坐標(biāo)（1，1），y₂的頂點(diǎn)坐標(biāo)（4，4），y₃的頂點(diǎn)坐標(biāo)（9，9），
依此類(lèi)推，y_n的頂點(diǎn)坐標(biāo)為（n²，n²）．
∵所有拋物線頂點(diǎn)的橫坐標(biāo)等于縱坐標(biāo)，
∴頂點(diǎn)坐標(biāo)滿足的函數(shù)關(guān)系式是：y=x．


（3）①∵A₀（0，0），A₁（2，0），
∴A₀A₁=2．
y_n=-（x-n²）²+n²，令y_n=0，即-（x-n²）²+n²=0，
解得x=n²+n或x=n²-n，
∴A_n-1（n²-n，0），A_n（n²+n，0），即A_n-1A_n=（n²+n）-（n²-n）=2n．
②存在．
設(shè)過(guò)點(diǎn)（2，0）的直線解析式為y=kx+b，則有：0=2k+b，得b=-2k，
∴y=kx-2k．
設(shè)直線y=kx-2k與拋物線y_n=-（x-n²）²+n²交于E（x₁，y₁），F(xiàn)（x₂，y₂）兩點(diǎn)，
聯(lián)立兩式得：kx-2k=-（x-n²）²+n²，整理得：x²+（k-2n²）x+n⁴-n²-2k=0，
∴x₁+x₂=2n²-k，x₁•x₂=n⁴-n²-2k．
過(guò)點(diǎn)F作FG⊥x軸，過(guò)點(diǎn)E作EG⊥FG于點(diǎn)G，則EG=x₂-x₁，
FG=y₂-y₁=[-（x₂-n²）²+n²]-[-（x₁-n²）²+n²]=（x₁+x₂-2n²）（x₁-x₂）=k（x₂-x₁）．
在Rt△EFG中，由勾股定理得：EF²=EG²+FG²，
即：EF²=（x₂-x₁）²+[k（x₂-x₁）]²=（k²+1）（x₂-x₁）²=（k²+1）[（x₁+x₂）²-4x₁•x₂]，
將x₁+x₂=2n²-k，x₁•x₂=n⁴-n²-2k代入，整理得：EF²=（k²+1）[4n²•（1-k）+k²+8k]，
當(dāng)k=1時(shí)，EF²=（1+1）（1+8）=18，
∴EF=2為定值，
∴k=1滿足條件，此時(shí)直線解析式為y=x-2．
∴存在滿足條件的直線，該直線的解析式為y=x-2．
分析：（1）因?yàn)辄c(diǎn)A₀（0，0）在拋物線y₁=-（x-a₁）²+a₁上，可求得a₁=1，則y₁=-（x-1）²+1；令y₁=0，求得A₁（2，0），b₁=2；再由點(diǎn)A₁（2，0）在拋物線y₂=-（x-a₂）²+a₂上，求得a₂=4，y₂=-（x-4）²+4．
（2）求得y₁的頂點(diǎn)坐標(biāo)（1，1），y₂的頂點(diǎn)坐標(biāo)（4，4），y₃的頂點(diǎn)坐標(biāo)（9，9），依此類(lèi)推，y_n的頂點(diǎn)坐標(biāo)為（n²，n²）．因?yàn)樗�有拋物線頂點(diǎn)的橫坐標(biāo)等于縱坐標(biāo)，所以頂點(diǎn)坐標(biāo)滿足的函數(shù)關(guān)系式是：y=x．
（3）①由A₀（0，0），A₁（2，0），求得A₀A₁=2；y_n=-（x-n²）²+n²，令y_n=0，求得A_n-1（n²-n，0），A_n（n²+n，0），所以A_n-1A_n=（n²+n）-（n²-n）=2n；
②設(shè)直線解析式為：y=kx-2k，設(shè)直線y=kx-2k與拋物線y_n=-（x-n²）²+n²交于E（x₁，y₁），F(xiàn)（x₂，y₂）兩點(diǎn)，聯(lián)立兩式得一元二次方程，得到x₁+x₂=2n²-k，x₁•x₂=n⁴-n²-2k．然后作輔助線，構(gòu)造直角三角形，求出EF²的表述式為：EF²=（k²+1）[4n²•（1-k）+k²+8k]，可見(jiàn)當(dāng)k=1時(shí)，EF²=18為定值．所以滿足條件的直線為：y=x-2．
點(diǎn)評(píng)：本題考查了二次函數(shù)綜合題型，考查了二次函數(shù)圖象上點(diǎn)的坐標(biāo)特征、頂點(diǎn)坐標(biāo)、拋物線與x軸的交點(diǎn)坐標(biāo)、待定系數(shù)法、一次函數(shù)、解一元二次方程、根與系數(shù)關(guān)系、勾股定理等知識(shí)點(diǎn)．本題涉及考點(diǎn)眾多，計(jì)算量比較大，有一點(diǎn)的難度．難點(diǎn)在于第（3）②問(wèn)，需要靈活運(yùn)用一元二次方程根與系數(shù)關(guān)系進(jìn)行化簡(jiǎn)與計(jì)算．