角系列模型:坐标系中的特殊角/构造相等角、半角、二倍角/最大角问题(米勒)

(一)角系列之坐标系中的特殊角问题
当我们把目光聚焦在各种各样图形的时候,却忘了还有一种基本图形:角.本系列介绍关于角的一些问题,本文则从基本的特殊角开始说起~
01
什么是特殊角?

说到特殊角我们很快就能想到比如30°、45°、60°、90°等,事实上,之所以以上角能称为特殊角,关键在于这些角的三角函数值特殊,比如同为整十,为什么我们会将60°称为特殊角,而50°便不是,原因很简单,cos60°=1/2,而我们并不知道50°的任一三角函数值.

因此角度特殊不在于这个角是多少度,而在于其三角函数值是否有特殊值,所以除了常见的30°、45°、60°,我们可以扩充一下特殊角的范围.

以及从最后一张图中可得二倍角或者半角的三角函数构造.
比如求tan15°:
tan22.5°:
一般半角三角函数值求法:
一般二倍角函数值求法:
02
坐标系中的特殊角
当我们初次接触到平面直角坐标系时,我们就认识了一、三象限角平分线及二、四象限角平分线,即直线y=x和直线y=-x,在一次函数中我们知道,若两直线平行,则k相等.
综合以上两点,可得:对于直线y=x+m或直线y=-x+m,与x轴夹角为45°.
并且我们还可通过画图与计算得知:
即“y=kx+b的k”与“直线和x轴的夹角”存在某种固定的联系.
关系就是:tanα=k的绝对值(α是直线与x轴的夹角).
不装了,我摊牌了~
03
特殊角的处理
在坐标系中构造定角,从其三角函数值着手:
思路1:根据三角函数值构造三垂直相似(或全等);
思路2:通过三角函数值化“角度条件”为“直线k”.

引例:坐标系中的45°角

如图,在平面直线坐标系中,直线AB解析式为y=1/2x,点M(2,1)是直线AB上一点,将直线AB绕点M顺时针旋转45°得到直线CD,求CD解析式.

【分析】

思路1:构造三垂直相似(全等)

在坐标系中存在45°角,可作垂直即可得到等腰直角三角形,构造三垂直全等确定图形.

在直线AB上取一点O,过点O作OP⊥AB交CD于P点,分别过M、P向x轴作垂线,垂足为E、F点.

易证△OEM≌△PFO,

故PF=OE=2,OF=ME=1,

故P点坐标为(-1,2),

结合P、M坐标可解直线CD解析式:y=-1/3x+5/3.

构造等腰直角的方式也不止这一种,也可过点O作CD的垂线,

但直角顶点未知的情况计算略难于直角顶点已知的情况,故虽可以做但并不推荐.

思路2:利用特殊角的三角函数值.

过M点作MN∥x轴,则tan∠OMN=tanα=1/2,tan∠CMN=1/3,

考虑到直线CD的增减性为y随着x的增大而减小,故kCD<0,

所以直线CD:y=-1/3(x-2)+1,

化简得:y=-1/3x+5/3.

引例:坐标系中的一般特殊角

如图,在平面直线坐标系中,直线AB解析式为y=1/2x,点M(2,1)是直线AB上一点,将直线AB绕点M顺时针旋转α得到直线CD,且tanα=3/2,求直线CD解析式.

【分析】

在直线AB上再选取点O构造三垂直相似,如下图所示,

易证△PFO∽△OEM,且相似比PO:OM=tan∠PMO=3/2,

即OF=3/2ME=3/2,PF=3/2OE=3,

故P点坐标为(-3/2,3),

结合P、M点坐标可解直线CD解析式:y=-4/7x+15/7.

本题并不容易从三角函数值本身下手,原因在于角度并不属于我们所讨论的特殊角范围之内,简便的做法只存在于特殊的角中.

认识特殊角,了解特殊角,运用特殊角,就能在复杂问题中找到简便的求法.
04
且看中考题

2019盐城中考

【45°的旋转】
如图,在平面直角坐标系中,一次函数y=2x-1的图像分别交x、y轴于点A、B,将直线AB绕点B顺时针旋转45°,交x轴于点C,则直线BC的函数表达式是_________.

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2018辽阳中考(删减)

【75°的转身】
如图,直线y=x-3与坐标轴交于A、B两点,抛物线y=1/4x²+bx+c经过点B,与直线y=x-3交于点E(8,5),且与x轴交于C,D两点.
(1)求抛物线的解析式;
(2)抛物线上有一点M,当∠MBE=75°时,求点M的横坐标.

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2013黑龙江中考

【特殊角的半角】
如图,在平面直角坐标系中,Rt△ABC的斜边AB在x轴上,点C在y轴上,∠ACB=90°,OA、OB的长分别是一元二次方程x²-25x+144=0的两个根(OA<OB),点D是线段BC上的一个动点(不与点B、C重合),过点D作直线DE⊥OB,垂足为E.
(1)求点C的坐标;
(2)连接AD,当AD平分∠CAB时,求直线AD的解析式.
but,思路2不能直接用!不能直接用!
选择填空当然就可以咯~
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2019资阳中考(删减)

【不一样的45°】
如图,抛物线y=-1/2x²+bx+c过点A(3,2),且与直线y=-x+7/2交于B、C两点,点B的坐标为(4,m).
(1)求抛物线的解析式;
(2)设点M为抛物线的顶点,在y轴上是否存在点Q,使∠AQM=45°?若存在,求点Q的坐标;若不存在,请说明理由.
(二)角系列之构造相等角
除了特殊几何图形存在性问题外,相等角存在性也是今年二次函数压轴题中常见的题型,根据题目给的不同的条件,选择恰当的方式去构造相等角,是此类问题的关键.
01
如何构造相等角?
回顾一下在几何图形中有哪些方法能得到相等角,大概如下:

(1)平行:两直线平行,同位角、内错角相等;

(2)角平分线:角平分线分的两个角相等;

(3)等腰三角形:等边对等角;

(4)全等(相似)三角形:对应角相等;

(5)三角函数:若两个角的三角函数值相等,则两角相等;

(6)圆周角定理:同圆或等圆中,同弧或等弧所对的圆周角相等.

也许还有,但大部分应该都在此了,同样,在抛物线背景下亦可用如下思路构造相等角.
选择较多未必是好事,挑出关键性条件确定恰当方法才是更重要的,以下给出一些中考题中的不同方法构造相等角问题.
02
三角函数值

想得到相等角,先考虑如何度量角,除了角度之外,另外的方法便是求出角的三角函数值,因此在以上6种方案当中,若无明显条件,可考虑求出角的三角函数值来构造相等角.

2017来宾中考(删减)

【根据三角函数值构造相等角】
如图,已知抛物线过点A(4,0),B(-2,0),C(0,-4).
(1)求抛物线的解析式;
(2)点C和点C1关于抛物线的对称轴对称,点P在抛物线上,且∠PAB=∠CAC1,求点P的横坐标.

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2019德州中考(删减)

【根据三角函数值构造相等角】
如图,抛物线y=mx²-5/2mx-4与x轴交于A(x1,0),B(x2,0)两点,与y轴交于点C,且x2-x1=11/2.
(1)求抛物线的解析式;
(2)抛物线上一点D(1,-5),直线BD与y轴交于点E,动点M在线段BD上,当∠BDC=∠MCE时,求点M的坐标.

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2017丹东中考(删减)

【看似角平分线实则还是三角函数】
如图,在平面直角坐标系中,△ABC的一边AB在x轴上,∠ABC=90°,点C(4,8)在第一象限内,AC与y轴交于点E,抛物线y=3/4x²+bx+c经过A、B两点,与y轴交于点D(0,-6).
(1)请直接写出抛物线的表达式;
(2)若点M是x轴上一点(不与点A重合),抛物线上是否存在点N,使∠CAN=∠MAN.若存在,请直接写出点N的坐标;若不存在,请说明理由.

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03
作平行线

2018娄底中考

【作平行线构造相等角】
如图,抛物线y=ax²+bx+c与两坐标轴相交于点A(-1,0)、B(3,0)、C(0,3),D是抛物线的顶点,E是线段AB的中点.
(1)求抛物线的解析式,并写出D点的坐标;
(2)F(x,y)是抛物线上的动点:
①当x>1,y>0时,求△BDF的面积的最大值;
②当∠AEF=∠DBE时,求点F的坐标.

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2019海南中考(删减)

【平行+三角函数】
如图,已知抛物线y=ax²+bx+5经过A(-5,0),B(-4,-3)两点,与x轴的另一个交点为C,顶点为D,连结CD.
(1)求该抛物线的表达式;
(2)点P为该抛物线上一动点(与点B、C不重合),设点P的横坐标为t.该抛物线上是否存在点P,使得∠PBC=∠BCD?若存在,求出所有点P的坐标;若不存在,请说明理由.

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04
等腰&全等

2018玉林中考(删减)

【构造等腰三角形得相等角】
如图,直线y=-3x+3与x轴、y轴分别交于A、B两点,抛物线y=-x²+bx+c与直线y=c分别交y轴的正半轴于点C和第一象限的点P,连接PB,得△PCB≌△BOA(O为坐标原点).若抛物线与x轴正半轴交点为点F,设M是点C,F间抛物线上的一点(包括端点),其横坐标为m.
(1)直接写出点P的坐标和抛物线的解析式;
(2)求满足∠MPO=∠POA的点M的坐标.
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2019泰安中考(删减)

【全等或等腰得相等角】
若二次函数y=ax²+bx+c的图像与x轴、y轴分别交于点A(3,0)、B(0,-2),且过点C(2,-2).
(1)求二次函数表达式;
(2)在抛物线上(AB下方)是否存在点M,使∠ABO=∠ABM?若存在,求出点M到y轴的距离;若不存在,请说明理由.

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05
辅助圆与圆周角定理

2018日照中考(删减)

【构造辅助圆得相等角】
如图,已知点A(-1,0),B(3,0),C(0,1)在抛物线y=ax²+bx+c上.
(1)求抛物线解析式;
(2)在x轴下方且在抛物线对称轴上,是否存在一点Q,使∠BQC=∠BAC?若存在,求出Q点坐标;若不存在,说明理由.

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2019赤峰中考(删减)

【辅助圆或特殊角】
如图,直线y=-x+3与x轴、y轴分别交于B、C两点,抛物线y=-x²+bx+c经过点B、C,与x轴另一交点为A,顶点为D.
(1)求抛物线的解析式;
(2)在抛物线的对称轴上是否存在一点P,使得∠APB=∠OCB?若存在,求出P点坐标;若不存在,请说明理由.

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【写在最后】
其实每一种做法都由两个相等的角的位置所决定,所以描出所要求的那两个角,看看是否存在某种联系,若真的八竿子打不着,那就用三角函数去算.毕竟,除了度数,我们只能用三角函数值来度量角,以及尽可能地掌握好特殊角的三角函数值及半角、二倍角三角函数值求法.
(三)角系列之构造二倍角、半角

既有构造相等角的,也有在这个问题上再进行加工的,比如,在坐标系中构造已知角的半角或二倍角,角可以单独出现,也可以存在于某个几何图形中,因此,构造半角、二倍角的方法也并不唯一,常用如下:

思路1:构造半角三角函数.

构造二倍角三角函数:

思路2:等腰三角形外角.

三角形外角等于和它不相邻的两个内角之和.

当然方法远不止于此,仅提供一点解题思路,接下来看一点中考题中的二倍角、半角问题.

2019咸宁中考(删减)

【转化为等角】

如图,在平面直角坐标系中,直线y=-1/2x+2与x轴交于点A,与y轴交于点B,抛物线y=-1/2x²+bx+c经过A、B两点且与x轴的负半轴交于点C.

(1)求该抛物线的解析式;

(2)若点D为直线AB上方抛物线上的一个动点,当∠ABD=2∠BAC时,求点D的坐标.

2018扬州中考(删减)

【简单的三角函数计算】

如图1,四边形OABC是矩形,点A的坐标为(3,0),点C的坐标为(0,6),点P从点O出发,沿OA以每秒1个单位长度的速度向点A出发,同时点Q从点A出发,沿AB以每秒2个单位长度的速度向点B运动,当点P与点A重合时运动停止.设运动时间为t秒.

问题:当t=1时,抛物线y=x²+bx+c经过P、Q两点,与y轴交于点M,抛物线的顶点为K,如图2所示,问该抛物线上是否存在点D,使∠MQD=1/2∠MKQ?若存在,求出所有满足条件的D的坐标;若不存在,说明理由.

2019宿迁中考(删减)

【特殊角的三角函数值】

如图,抛物线y=x²+bx+c交x轴于A、B两点,其中点A坐标为(1,0),与y轴交于点C(0,-3).

(1)求抛物线的函数表达式;

(2)如图,连接AC,点P在抛物线上,且满足∠PAB=2∠ACO.求点P的坐标;

2019盐城中考(删减)

【半角三角函数计算】

如图所示,二次函数y=k(x-1)²+2的图像与一次函数y=kx-k+2的图像交于A、B两点,点B在点A的右侧,直线AB分别与x、y轴交于C、D两点,其中k<0.

(1)求A、B两点的横坐标;

(2)二次函数图像的对称轴与x轴交于点E,是否存在实数k,使得∠ODC=2∠BEC,若存在,求出k的值;若不存在,说明理由.

2018本溪中考(删减)

【构造旋转得定角】

如图,抛物线y=ax²+2x+c(a<0)与x轴交于点A和点B(点A在原点的左侧,点B在原点的右侧),与y轴交于点C,OB=OC=3.

(1)求该抛物线的函数解析式.

(2)如图2,点E的坐标为(0,-3/2),点P是抛物线上的点,连接EB,PB,PE形成的△PBE中,是否存在点P,使∠PBE或∠PEB等于2∠OBE?若存在,请直接写出符合条件的点P的坐标;若不存在,请说明理由.

2018河南中考(删减)

【构造等腰三角形】

如图,抛物线y=ax²+6x+cx轴于A、B两点,交y轴于点C.直线y=x-5经过点B、C.

(1)求抛物线的解析式;

(2)过点A的直线交直线BC于点M,连接AC,当直线AM与直线BC的夹角等于∠ACB的2倍时,请直接写出点M的坐标.

(四)角系列之最大角问题(米勒问题)
问题描述

1471年,德国数学家米勒向诺德尔提出这样一个问题:

如图,点A、B直线l的同一侧,在直线l上取一点P,使得∠APB最大,求P点位置.

问题铺垫

圆外角:如图,像∠APB这样顶点在圆外,两边和圆相交的角叫圆外角.

相关结论:圆外角等于这个角所夹两条弧的度数差(大减小)的一半.

如图,∠P=∠ACB-∠PBC.

换句话说,对同一个圆而言,圆周角>圆外角.

问题解决

结论:当点P不与A、B共线时,作△PAB的外接圆,当圆与直线l相切时,∠APB最大.

证明:在直线l上任取一点M(不与点P重合),连接AM、BM,

∠AMB即为圆O的圆外角,

∴∠APB>∠AMB,∠APB最大.

∴当圆与直线l相切时,∠APB最大.

问题应用

特别地,若点A、B与P分别在一个角的两边,如下图,则有OP²=OA·OB.(切割线定理)

证明:∵∠POA=∠BOP,∠OPA=∠OBP(弦切角定理)

∴△AOP∽△POB,

∴OA/OP=OP/OB,

∴OP²=OA·OB.

即可通过OA、OB线段长确定OP长,便知P点位置.

最大角问题在中考中出现得并不多,也仅仅能称作是一个问题而已,但既然已经有考到了,我们就需要了解一下~

2019烟台中考

如图,抛物线y=ax²+bx+3与x轴交于A(-1,0)、B两点,与y轴交于点C,过点C作CD⊥y轴交抛物线于另一点D,作DE⊥x轴,垂足为点E,双曲线y=6/x(x>0)经过点D,BD.
(1)求抛物线的表达式;
(2)动点P从点O出发,以每秒1个单位长度的速度沿OC方向运动,运动时间为t秒,当t为何值时,∠BPD的度数最大?(请直接写出结果)

变式练习

已知最大角求直线

如图,在平面直角坐标系中,A(1,0)、B(5,0)直线l经过点C(-1,2),点P是直线l上的动点,若∠APB的最大值为45°,求直线l的解析式.

【分析】

考虑到直线l未知但∠APB的最大值已知为45°,故构造圆.

记△ABP外接圆圆心为M点,则∠AMB=2∠APB=90°,

故可确定M点位置.

根据A(1,0)、B(5,0),不难求得M点坐标为(3,2),

连接MC、MP,考虑到圆M与直线CP相切,故MP⊥CP,△CPM是直角三角形.

∵MC=4,MP=MA=2根号2,

∴CP=2根号2,即△CPM是等腰直角三角形,

易求P点坐标为(1,4),

又C点坐标为(-1,2),

可求直线l的解析式为y=x+3.

注:特别感谢山大附中张永坤老师供题.

【写在最后】

像这种问题变化方式其实并不多,是的所以这一篇我水了,理清楚问题的构成条件以及每个条件的应用,便能在变化中准确找到切入点,根据条件分析我能做什么不仅是一种嗅觉,更是靠基础的积累.


文章来源于有一点数学,作者一个刘岳如存在文章/图片/音视频使用不当的情况,或来源标注有异议,请联系微信ABC-shuxue处理。

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