专题四 取值范围的确定
几何背景
例1 (2018,石家庄模拟)如图,在矩形纸片ABCD中,AB=4,BC=3,翻折矩形纸片,使点A落在对角线DB上的点F处,折痕为DE,打开矩形纸片,并连接EF.
(1)BD的长为 5 ;
(2)求AE的长;
(3)在BE上是否存在点P,使得PF+PC的值最小?若存在,请你确定点P的位置,并求出这个最小值;若不存在,请说明理由.
例1题图
【思路分析】 (1)根据勾股定理解答即可.(2)设AE=x,根据全等三角形的性质和勾股定理解答即可.(3)延长CB到点G,使BG=BC,连接FG,交BE于点P,确定点P的位置,连接PC,再利用相似三角形的判定和性质,最后利用勾股定理解答即可.
解:(1)5
(2)设AE=x.
∵AB=4,
∴BE=4-x.
根据折叠的性质,知Rt△FDE≌Rt△ADE.
∴FE=AE=x,FD=AD=BC=3,
∠EFD=∠A=90°.
∴BF=BD-FD=5-3=2.
在Rt△BEF中,根据勾股定理,
得FE2+BF2=BE2,即x2+4=(4-x)2.
解得x=.
∴AE的长为.
(3)存在.如答图,延长CB到点G,使BG=BC,连接FG,交BE于点P,则点P即为所求.
连接PC,此时有PC=PG.
∴PF+PC=GF.
过点F作FH⊥BC,交BC于点H,则有FH∥DC.
∴△BFH∽△BDC.
∴==,即==.
∴FH=,BH=.
∴GH=BG+BH=3+=.
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在Rt△GFH中,根据勾股定理,
得GF==.
所以PF+PC的最小值为.
例1答图
针对训练1 (2012,河北,导学号5892921)如图,在△ABC中,AB=13,BC=14,cos∠ABC=.
【探究】
如图①,AH⊥BC于点H,则AH= 12 ,AC= 15 ,△ABC的面积为 84 .
【拓展】
如图②,点D在AC上(可与点A,C重合),分别过点A,C作直线BD的垂线,垂足为E,F.设BD=x,AE=m,CF=n.(当点D与点A重合时,我们认为S△ABD=0)
(1)用含x,m,n的代数式表示S△ABD及S△CBD;
(2)求m+n关于x的函数解析式,并求m+n的最大值和最小值;
(3)对给定的一个x值,有时只能确定唯一的点D,指出这样的x的取值范围.
【发现】
请你确定一条直线,使得A,B,C三点到这条直线的距离之和最小(不必写出过程),并写出这个最小值.
训练1题图
【思路分析】 【探究】先在Rt△ABH中,由AB=13,cos∠ABC=,可得AH=12,BH=5,则CH=9,再解Rt△ACH,即可求出AC的长,最后根据三角形的面积公式即可求出S△ABC的值.【拓展】(1)由三角形的面积公式即可求解.(2)首先由(1)可得m=,n=,再根据S△ABD+S△CBD=S△ABC=84,即可求出m+n关于x的函数解析式,然后由点D在AC上(可与点A,C重合),可知x的最小值为AC边上的高,最大值为BC的长,由此便可确定m+n的最大值与最小值.(3)因为BC>BA,所以当以点B为圆心,大于且小于13为半径画圆时,与AC有两个交点,不符合题意.故根据点D的唯一性,分两种情况:①当BD为△ABC的边AC上的高时,点D符合题意.②当AB<BD≤BC时,点D符合题意.【发现】因为AC>BC>AB,所以使得A,B,C三点到这条直线的距离之和最小的直线就是AC所在的直线.
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解:【探究】12 15 84
【拓展】(1)由三角形的面积公式,得
S△ABD=BD·AE=xm,
S△CBD=BD·CF=xn.
(2)由(1)得m=,n=,
∴m+n=+=.
∵AC边上的高为==,
∴x的取值范围是≤x≤14.
∵m+n随x的增大而减小,
∴当x=时,m+n的最大值为15.
当x=14时,m+n的最小值为12.
(3)x的取值范围是x=或13<x≤14.
【发现】∵AC>BC>AB,
∴使得A,B,C三点到这条直线的距离之和最小的直线就是AC所在的直线,AC边上的高为.
∴这个最小值为.
针对训练2 (2011,河北)如图①至④中,两平行线AB,CD间的距离均为6,M为AB上一定点.
【思考】
如图①,圆心为O的半圆形纸片在AB,CD之间(包括AB,CD),其直径MN在AB上,MN=8,P为半圆上一点,设∠MOP=α.
当α= 90° 时,点P到CD的距离最小,最小值为 2 .
【探究一】
在图①的基础上,以点M为旋转中心,在AB,CD之间顺时针旋转该半圆形纸片,直到不能再转动为止,如图②,得到最大旋转角∠BMO= 30° ,此时点N到CD的距离是 2 .
【探究二】
将图①中的扇形纸片NOP按下面对α的要求剪掉,使扇形纸片MOP绕点M在AB,CD之间顺时针旋转.
(1)如图③,当α=60°时,求在旋转过程中,点P到CD的最小距离,并请指出旋转角∠BMO的最大值;
(2)如图④,在扇形纸片MOP旋转过程中,要保证点P能落在直线CD上,请确定α的取值范围.
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训练2题图
【思路分析】 【思考】根据两平行线之间垂线段最短,直接得出答案.【探究一】根据sin∠BMO==,得到最大旋转角∠BMO=30°,此时点N到CD的距离是2.【探究二】(1)由已知得出点M与点P的距离为4,当PM⊥AB时,点P到AB的距离最大,从而点P到CD的距离最小,当弧MP与AB相切时,可得出∠BMO的最大值.(2)当弧MP与CD相切于点P时,可求出α的最大值.当点P在CD上且与AB距离最小时,可求出α的最小值,进而可得出α的取值范围.
解:【思考】90° 2
【探究一】30° 2
【探究二】(1)如答图①,连接MP.
∵α=60°,
∴△MOP是等边三角形.
∴MP=MO=4.
∴当PM⊥AB时,点P到AB的距离最大,是4.
∵点M与点P之间的距离为4,
∴点P到CD的最小距离为6-4=2.
当扇形MOP在AB,CD之间旋转到不能再转时,弧MP与AB相切,此时旋转角最大,∠BMO的最大值为90°.
(2)如答图②.
由【探究一】可知,当P是弧MP与CD的切点时,α最大,即OP⊥CD,此时延长PO交AB于点R,α的最大值为∠OMR+∠ORM=30°+90°=120°.
如答图③,连接MP,作HO⊥MP于点H.
当点P在CD上且与AB距离最小,即MP⊥CD时,α最小.
由垂径定理,得MH=3.
在Rt△MOH中,MO=4.
∴sin∠MOH==.
∴∠MOH=49°.
∵α=2∠MOH,
∴α最小为98°.
∴α的取值范围为98°≤α≤120°.
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训练2答图
例2 (2017,河北,导学号5892921)如图,AB=16,O为AB的中点,点C在线段OB上(不与点O,B重合),将OC绕点O逆时针旋转270°后得到扇形COD,AP,BQ分别切优弧 CD 于点P,Q,且点P,Q在AB异侧,连接OP.
(1)求证:AP=BQ;
(2)当BQ=4时,求 弧QD 的长;
(3)若△APO的外心在扇形COD的内部,求OC的取值范围.
例2题图
【思路分析】 (1)连接OQ,只要证明Rt△APO≌Rt△BQO即可解决问题.(2)求出优弧DQ所对的圆心角以及所在圆的半径即可解决问题.(3)由△APO的外心是OA的中点,OA=8,推出△APO的外心在扇形COD的内部时,OC的取值范围为4<OC<8.
(1)证明:如答图,连接OQ.
∵AP,BQ是⊙O的切线,
∴OP⊥AP,OQ⊥BQ.
∴∠APO=∠BQO=90°.
在Rt△APO和Rt△BQO中,
∴Rt△APO ≌Rt△BQO.
∴AP=BQ.
(2)解:∵Rt△APO ≌Rt△BQO,
∴∠AOP=∠BOQ,
∴P,O,Q三点共线.
∵在Rt△BOQ中,cos B===,
∴∠B=30°.
∴∠BOQ=60°.
∴OQ=OB=AB=4.
∴优弧QD的长为=.
(3)解:∵△APO的外心是OA的中点,OA=8,
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∴当△APO的外心在扇形COD的内部时,OC的取值范围为4<OC<8.
例2答图
针对训练3 (2018,石家庄模拟)如图,在Rt△ABO中,∠B=90°,∠OAB=30°,OA=3.以点O为原点,斜边OA所在直线为x轴,建立平面直角坐标系,以点P(4,0)为圆心,PA的长为半径画圆,⊙P与x轴的另一交点为N,点M在⊙P上,且满足∠MPN=60°,⊙P以每秒1个单位长度的速度沿x轴向左运动.设运动时间为t s.
【发现】
(1)弧MN的长度为( );
(2)当t=2时,求扇形MPN与Rt△ABO重叠部分的面积.
【探究】
当⊙P和△ABO的边所在的直线相切时,求点P的坐标.
【拓展】
当弧MN与Rt△ABO的边有两个交点时,请你直接写出t的取值范围.
训练3题图
【思路分析】 【发现】(1)先确定出弧MN所在圆的半径,进而用弧长公式即可得出结论.(2)先求出PA=1,进而求出AQ,PQ的长,即可用面积公式得出结论.【探究】分圆和直线AB、直线OB相切,利用三角函数即可得出结论.【拓展】先找出弧MN和Rt△ABO的两边有两个交点时的分界点,即可得出结论.
解:【发现】(1)
(2)设⊙P的半径为r,则有r=4-3=1.
当t=2时,如答图①,点N与点A重合,
∴PA=r=1.
设MP与AB相交于点Q.
∵∠OAB=30°,∠MPN=60°,
∴∠PQA=90°.
∴PQ=PA=.
∴AQ=AP·cos 30°=.
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∴S重叠部分=S△APQ=PQ·AQ=,
即重叠部分的面积为.
【探究】①如答图②,当⊙P与AB边所在的直线相切于点C时,连接PC,则有PC⊥AB,PC=r=1.
∵∠OAB=30°,
∴AP=2.
∴OP=OA-AP=3-2=1.
∴点P的坐标为(1,0).
②如答图③,当⊙P与OB边所在的直线相切于点D时,连接PD,则有PD⊥OB,PD=r=1.
∴PD∥AB.
∴∠OPD=∠OAB=30°.
∵cos∠OPD=,
∴OP=.
∴点P的坐标为.
③如答图④,当⊙P与OB边所在的直线相切于点E时,连接PE,则有PE⊥OB,PE=r=1.
同理OP=.
∴点P的坐标为.
综上所述,当⊙P和△ABO的边所在的直线相切时,点P的坐标为(1,0)或或.
【拓展】t的取值范围是2<t≤3,4≤t<5.
训练3答图
针对训练4 (2014,河北,导学号5892921)如图①和图②,优弧AB所在⊙O的半径为2,AB=2.P为优弧AB上一点(点P不与点A,B重合),将图形沿BP折叠,得到点A的对称点A′.
(1)点O到弦AB的距离是 1 ,当BP经过点O时,∠ABA′= 60°;
(2)当BA′与⊙O相切时,如图②,求折痕的长;
(3)若线段BA′与优弧AB只有一个公共点B,设∠ABP=α.确定α的取值范围.
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训练4题图
【思路分析】 (1)利用垂径定理和勾股定理即可求出点O到弦AB的距离.利用锐角三角函数的定义及轴对称性就可求出∠ABA′.(2)根据切线的性质得到∠OBA′=90°,从而得到∠ABA′=120°,就可求出∠ABP,进而求出∠OBP=30°.过点O作OG⊥BP,垂足为G,容易求出BG的长,根据垂径定理就可求出折痕的长.(3)根据点A′的位置不同,得到线段BA′与优弧AB只有一个公共点B时,α的取值范围是0°<α<30°或60°≤α<120°.
解:(1)1 60°
(2)如答图,连接OB,过点O作OG⊥BP,垂足为G.
训练4答图
∵BA′与⊙O相切,
∴OB⊥A′B.
∴∠OBA′=90°.
∵∠OBA=30°,
∴∠ABA′=120°.
∴∠A′BP=∠ABP=60°.
∴∠OBP=30°.
∴BG=OB·cos 30°=.
∵OG⊥BP,
∴PG=BG=.
∴BP=2.
∴折痕的长为2.
(3)∵点P不与点A重合,
∴α>0°.
由(1),得当α增大到30°时,点A′在弧AB上.
∴当0°<α<30°时,点A′在⊙O内,线段BA′与优弧AB只有一个公共点B.
由(2),知当α增大到60°时,BA′与⊙O相切,即线段BA′与优弧AB只有一个公共点B.
当α继续增大时,点P逐渐靠近点B,但点P不与点B重合,
∴∠OBP<90°.
∵α=∠OBA+∠OBP,∠OBA=30°,
∴α<120°.
∴当60°<α<120°时,线段BA′与优弧AB只有一个公共点B.
综上所述,线段BA′与优弧AB只有一个公共点B时,α的取值范围是0°<α<30°或60°≤α<120°.
函数背景
1. 一次函数与反比例函数背景下确定取值范围
例3 (2010,河北,导学号5892921)如图,在平面直角坐标系中,矩形OABC的顶点O
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与坐标原点重合,顶点A,C分别在坐标轴上,顶点B的坐标为(4,2).过点D(0,3)和E(6,0)的直线分别与AB,BC交于点M,N.
(1)求直线DE的解析式和点M的坐标;
(2)若反比例函数y=(x>0)的图象经过点M,求该反比例函数的解析式,并通过计算判断点N是否在该函数的图象上;
(3)若反比例函数y=(x>0)的图象与△MNB有公共点,请直接写出m的取值范围.
例3题图
【思路分析】 (1)设直线DE的解析式为y=kx+b,直接把点D,E的坐标代入解析式利用待定系数法即可求得直线DE的解析式.先根据矩形的性质求得点M的纵坐标,再代入直线DE的解析式求得其横坐标即可.(2)利用点M的坐标求得反比例函数的解析式,根据点N在直线DE上求得点N的坐标,再代入反比例函数的解析式判断是否成立即可.(3)满足条件的最内的双曲线的m=4,最外的双曲线的m=8,所以可得其取值范围.
解:(1)设直线DE的解析式为y=kx+b.
∵点D,E的坐标分别为(0,3),(6,0),
∴
解得
∴直线DE的解析式为y=-x+3.
∵点M在AB边上,B(4,2),四边形OABC是矩形,
∴点M的纵坐标为2.
∵点M在直线y=-x+3上,
∴2=-xM+3.
∴xM=2.
∴M(2,2).
(2)∵y=(x>0)经过点M(2,2),
∴m=4.
∴y=.
∵点N在BC边上,B(4,2),
∴点N的横坐标为4.
∵点N在直线y=-x+3上,
∴yN=1.
15
∴N(4,1).
∵当x=4时,y==1,
∴点N在函数y=的图象上.
(3)4≤m≤8.
针对训练5 (2018,石家庄43中模拟,导学号5892921)在平面直角坐标系中,已知直线y=-x+4和点M(3,2).
(1)判断点M是否在直线y=-x+4上,并说明理由;
(2)将直线y=-x+4沿y轴平移,当它经过点M关于坐标轴的对称点时,求平移的距离;
(3)另一条直线y=kx+b经过点M且与直线y=-x+4交点的横坐标为n,当y=kx+b随x的增大而增大时,n的取值范围是 2<n<3 .
【思路分析】 (1)将x=3代入y=-x+4,求出y=-3+4=1≠2,即可得点M(3,2)不在直线y=-x+4上.(2)设直线y=-x+4沿y轴平移后的解析式为y=-x+4+a.分两种情况进行讨论:①点M(3,2)关于x轴的对称点为M1(3,-2);②点M(3,2)关于y轴的对称点为M2(-3,2).分别求出a的值,得到平移的距离.(3)由直线y=kx+b经过点M(3,2),把x=n,代入y=-x+4求出交点的坐标,再结合k>0,得出结果.
解:(1)点M不在直线y=-x+4上.
理由:∵当x=3时,y=-3+4=1≠2,
∴点M(3,2)不在直线y=-x+4上.
(2)设直线y=-x+4沿y轴平移后的解析式为y=-x+4+a.
①点M(3,2)关于x轴的对称点为M1(3,-2).
∵点M1(3,-2)在直线y=-x+4+a上,
∴-2=-3+4+a.
∴a=-3,即平移的距离为3.
②点M(3,2)关于y轴的对称点为M2(-3,2).
∵点M2(-3,2)在直线y=-x+4+a上,
∴2=3+4+a.
∴a=-5,即平移的距离为5.
综上所述,平移的距离为3或5.
(3)2<n<3
针对训练6 (2018,张家口桥东区模拟,导学号5892921)如图,在平面直角坐标系中,点A的坐标为(3,-2),直线l的解析式为y=kx-2-3k(k≠0),反比例函数y=-的图象上有两点M,N,点M,N的纵坐标分别为2,1.
(1)当k=-1时,直线l的解析式为 y=-x+1 ,并直接在坐标系中画出直线l;
(2)通过计算说明:点A在直线l上;
(3)记y=-(x>0)图象上M,N两点及之间的部分为G.若图象G与直线l有公共点,求k的取值范围.
训练6题图
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【思路分析】 (1)将k=-1代入直线l的解析式即可解决问题.(2)将点A的横坐标代入直线l的解析式判断即可解决问题.(3)求出M,N两点的坐标,利用待定系数法,求出直线l经过M,N两点时k的值,即可判断.
解:(1)y=-x+1
直线l如答图所示.
(2)当x=3时,y=3k-2-3k=-2.
∴点A在直线l上.
(3)对于反比例函数y=-,当y=2时,x=-1.
当y=1时,x=-2.
∴M(-1,2),N(-2,1).
当点M在直线l上时,2=-k-2-3k.
解得k=-1.
当点N在直线l上时,1=-2k-2-3k.
解得k=-.
所以满足条件的k的取值范围为-1≤k≤-.
训练6答图
例4 (2018,秦皇岛海港区一模,导学号5892921)如图①,抛物线C1:y=-x2+bx+c经过点A(1,0)和点B(5,0).已知直线l的解析式为y=kx-5.
(1)求抛物线C1的解析式、对称轴和顶点坐标;
(2)若直线l将线段AB分成1∶3两部分,求k的值;
(3)当k=2时,直线l与抛物线交于M,N两点,P是抛物线位于直线l上方的一点,当△PMN的面积最大时,求点P的坐标,并求面积的最大值;
(4)将抛物线C1在x轴上方的部分沿x轴折叠到x轴下方,将这部分图象与原抛物线剩余的部分组成的新图象记为C2,如图②.
①直接写出y随x的增大而增大时x的取值范围;
②直接写出直线l与图象C2有四个交点时k的取值范围.
例4题图
【思路分析】 (1)根据二次函数的交点式可得函数的解析式.(2)根据线段的比,可得直线l与x轴的交点,根据自变量与函数值的对应关系,可得答案.(3)根据平行于y
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轴直线上两点间的距离是较大的纵坐标减较小的纵坐标,可得PH.根据三角形的面积,可得二次函数.根据二次函数的性质,可得答案.(4)①根据函数图象的增减趋势,可得答案.②找到界点,求出l过界点时k的值,可得答案.
解:(1)∵抛物线C1:y=-x2+bx+c经过点A(1,0)和点B(5,0),
∴y=-(x-1)(x-5)=-x2+6x-5=-(x-3)2+4.
∴抛物线C1的解析式为y=-x2+6x-5,对称轴为x=3,顶点坐标为(3,4).
(2)∵直线l将线段AB分成1∶3两部分,
∴l经过点(2,0)或(4,0).
∴0=2k-5或0=4k-5.
∴k=或k=.
例4答图
(3)如答图,设P(x,-x2+6x-5)是抛物线位于直线l上方的一点.
解方程组
解得或
不妨设M(0,-5),N(4,3),
∴0<x<4.
过点P作PH⊥x轴交直线l于点H,则H(x,2x-5).
∴PH=-x2+6x-5-(2x-5)=-x2+4x.
∴S△PMN=PH·xN
=(-x2+4x)×4
=-2(x-2)2+8.
∵0<x<4,
∴当x=2时,S△PMN最大,最大值为8,此时P(2,3).
(4)①当x≤1或3≤x≤5时,y随x的增大而增大.
②当-6+2<k<1时,直线l与图象C2有四个交点.
针对训练7 (2018,保定竞秀区一模,导学号5892921)在平面直角坐标系xOy中,抛物线L:y=x2-4x+3与x轴交于A,B两点(点A在点B的左侧),顶点为C.
(1)求点C和点A的坐标;
(2)定义“L双抛图形”:直线x=t将抛物线L分成两部分,先去掉其不含顶点的部分,然后作出抛物线剩余部分关于直线x=t的对称图形,得到的整个图形称为抛物线L关于直线x=t的“L双抛图形”(特别地,当直线x=t恰好是抛物线的对称轴时,得到的“L双抛图形”不变).
①当t=0时,抛物线L关于直线x=0的“L双抛图形”如图①所示,直线y=3与“L双抛图形”有 3 个交点;
②若抛物线L关于直线x=t的“L双抛图形”与直线y
15
=3恰好有2个交点,结合图象,可知t的取值范围是 0<t<4 ;
③当直线x=t经过点A时,“L双抛图形”如图②所示,现将线段AC所在直线沿水平(x轴)方向向右平移,交“L双抛图形”于点P,交x轴于点Q,满足PQ=AC时,求点P的坐标.
训练7题图
【思路分析】 (1)令y=0,得x2-4x+3=0,然后求得方程的解,从而可得到点A,B的坐标,然后再求得抛物线的对称轴为x=2,最后将x=2代入可求得点C的纵坐标.(2)①抛物线与y轴交点坐标为(0,3),然后作出直线y=3,求出交点个数即可.②将y=3代入抛物线的解析式求得对应的x的值,从而可得到直线y=3与“L双抛图形”恰好有3个交点时t的值,然后结合函数图象可得到“L双抛图形”与直线y=3恰好有2个交点时t的取值范围.③先证明四边形ACQP为平行四边形,由此得到点P的纵坐标为1,然后由函数解析式可求得点P的横坐标.
解:(1)令y=0,得x2-4x+3=0.
解得x=1或x=3.
∴A(1,0),B(3,0).
∴抛物线的对称轴为x=2.
将x=2代入抛物线的解析式,得y=-1.
∴C(2,-1).
(2)①3
②0<t<4
训练7答图
③如答图.
∵PQ∥AC且PQ=AC,
∴四边形ACQP为平行四边形.
∵点C的纵坐标为-1,
∴点P的纵坐标为1.
将y=1代入抛物线的解析式,得x2-4x+3=1.
解得x=+2或x=-+2(舍去).
∴点P的坐标为(+2,1).
针对训练8 (2018,石家庄桥西区一模,导学号5892921)如图,抛物线y=-x2-mx+2与x轴交于A,B两点,与y轴交于点C,已知点A的坐标为(-4,0).
(1)求抛物线的解析式和点B,C的坐标;
(2)判断△ABC的形状,并求出△ABC的外接圆的圆心坐标;
(3)P是抛物线上一动点(不与点C重合),当△ABC与△ABP的面积相等时,求点P的坐标;
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(4)将图①中抛物线在x轴下方的部分沿x轴折叠到x轴上方,如图②所示,过点C作直线l平行于x轴,与图象的交点从左到右依次为点D,E,C,F,直接写出新图象在直线l上方部分,y随x增大而增大时x的取值范围.
训练8题图
【思路分析】 (1)利用待定系数法即可解决问题.(2)利用勾股定理的逆定理即可判定△ABC是直角三角形.(3)由△ABC与△ABP的面积相等,推出点P的纵坐标为2或-2,由此即可解决问题.(4)求出点E,F的坐标,观察图象即可判定.
解:(1)∵A(-4,0)在抛物线y=-x2-mx+2上,
∴m=.
∴抛物线的解析式为y=-x2-x+2.
令y=0,得-x2-x+2=0.
解得x=-4或x=1.
∴B(1,0).
令x=0,得y=2.
∴C(0,2).
(2)∵OA=4,OC=2,OB=1,
∴AB=5,AC=2,BC=.
∴AC2+BC2=AB2.
∴∠ACB=90°,△ABC是直角三角形.
∴△ABC的外接圆的圆心坐标为.
(3)如答图.
训练8答图
∵△ABC与△ABP的面积相等,
∴CP1∥AB,P2P3∥AB.
∴点P的纵坐标为2或-2.
当y=2时,易知P1(-3,2).
当y=-2时,-x2-x+2=-2.
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解得x=.
∴P2,P3.
(4)-3<x<-或x>.
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