24. (12 分)如图 1,直线 $ y = -\frac{1}{2}x + 2 $ 与 $ x $ 轴交于点 $ B $,与 $ y $ 轴交于点 $ C $,抛物线 $ y = -\frac{1}{2}x^{2} + bx + c $ 经过 $ B $,$ C $ 两点,点 $ P $ 是抛物线上的一个动点,过点 $ P $ 作 $ PQ \perp x $ 轴,垂足为点 $ Q $,交直线 $ y = -\frac{1}{2}x + 2 $ 于点 $ D $. 设点 $ P $ 的横坐标为 $ m $.
(1)求该抛物线的函数表达式;
(2)若以 $ P $,$ D $,$ O $,$ C $ 为顶点的四边形是平行四边形,求点 $ Q $ 的坐标;
(3)如图 2,当点 $ P $ 位于直线 $ BC $ 上方的抛物线上时,过点 $ P $ 作 $ PE \perp BC $ 于点 $ E $,当 $ PE $ 取得最大值时,求点 $ P $ 的坐标,并求出 $ PE $ 的最大值.


(1)求该抛物线的函数表达式;
(2)若以 $ P $,$ D $,$ O $,$ C $ 为顶点的四边形是平行四边形,求点 $ Q $ 的坐标;
(3)如图 2,当点 $ P $ 位于直线 $ BC $ 上方的抛物线上时,过点 $ P $ 作 $ PE \perp BC $ 于点 $ E $,当 $ PE $ 取得最大值时,求点 $ P $ 的坐标,并求出 $ PE $ 的最大值.
答案
(1) $ y = -\frac{1}{2}x^2 + \frac{3}{2}x + 2 $;(2) $ (2,0) $,$ (2+2\sqrt{2},0) $,$ (2-2\sqrt{2},0) $;(3) $ P(2,3) $,$ PE_{max} = \frac{4\sqrt{5}}{5} $。
解析
24. (1) 对于直线 $ y = -\frac{1}{2}x + 2 $,令 $ x=0 $,得 $ y=2 $,则 $ C(0,2) $;令 $ y=0 $,得 $ x=4 $,则 $ B(4,0) $。
将 $ B(4,0) $,$ C(0,2) $ 代入抛物线 $ y = -\frac{1}{2}x^2 + bx + c $,得 $ c=2 $,且 $ 0 = -\frac{1}{2}(4)^2 + 4b + 2 $,解得 $ b = \frac{3}{2} $。
抛物线表达式为 $ y = -\frac{1}{2}x^2 + \frac{3}{2}x + 2 $。
(2) 设 $ P(m, -\frac{1}{2}m^2 + \frac{3}{2}m + 2) $,则 $ D(m, -\frac{1}{2}m + 2) $,$ Q(m,0) $。
$ PD = |y_P - y_D| = |-\frac{1}{2}m^2 + 2m| $,$ OC=2 $。
若四边形 $ PDOC $ 为平行四边形,则 $ PD=OC=2 $,即 $ |-\frac{1}{2}m^2 + 2m|=2 $。
当 $ -\frac{1}{2}m^2 + 2m=2 $ 时,$ m^2 - 4m + 4=0 $,解得 $ m=2 $;
当 $ -\frac{1}{2}m^2 + 2m=-2 $ 时,$ m^2 - 4m - 4=0 $,解得 $ m=2±2\sqrt{2} $。
$ Q $ 坐标为 $ (2,0) $,$ (2+2\sqrt{2},0) $,$ (2-2\sqrt{2},0) $。
(3) 直线 $ BC $:$ x + 2y - 4=0 $,点 $ P(m, y_P) $ 到 $ BC $ 的距离 $ PE = \frac{|m + 2y_P - 4|}{\sqrt{5}} $。
$ y_P = -\frac{1}{2}m^2 + \frac{3}{2}m + 2 $,则 $ m + 2y_P - 4 = -m^2 + 4m $,$ PE = \frac{-m^2 + 4m}{\sqrt{5}} $。
当 $ m=2 $ 时,$ PE $ 最大,最大值为 $ \frac{4}{\sqrt{5}} = \frac{4\sqrt{5}}{5} $,此时 $ P(2,3) $。
将 $ B(4,0) $,$ C(0,2) $ 代入抛物线 $ y = -\frac{1}{2}x^2 + bx + c $,得 $ c=2 $,且 $ 0 = -\frac{1}{2}(4)^2 + 4b + 2 $,解得 $ b = \frac{3}{2} $。
抛物线表达式为 $ y = -\frac{1}{2}x^2 + \frac{3}{2}x + 2 $。
(2) 设 $ P(m, -\frac{1}{2}m^2 + \frac{3}{2}m + 2) $,则 $ D(m, -\frac{1}{2}m + 2) $,$ Q(m,0) $。
$ PD = |y_P - y_D| = |-\frac{1}{2}m^2 + 2m| $,$ OC=2 $。
若四边形 $ PDOC $ 为平行四边形,则 $ PD=OC=2 $,即 $ |-\frac{1}{2}m^2 + 2m|=2 $。
当 $ -\frac{1}{2}m^2 + 2m=2 $ 时,$ m^2 - 4m + 4=0 $,解得 $ m=2 $;
当 $ -\frac{1}{2}m^2 + 2m=-2 $ 时,$ m^2 - 4m - 4=0 $,解得 $ m=2±2\sqrt{2} $。
$ Q $ 坐标为 $ (2,0) $,$ (2+2\sqrt{2},0) $,$ (2-2\sqrt{2},0) $。
(3) 直线 $ BC $:$ x + 2y - 4=0 $,点 $ P(m, y_P) $ 到 $ BC $ 的距离 $ PE = \frac{|m + 2y_P - 4|}{\sqrt{5}} $。
$ y_P = -\frac{1}{2}m^2 + \frac{3}{2}m + 2 $,则 $ m + 2y_P - 4 = -m^2 + 4m $,$ PE = \frac{-m^2 + 4m}{\sqrt{5}} $。
当 $ m=2 $ 时,$ PE $ 最大,最大值为 $ \frac{4}{\sqrt{5}} = \frac{4\sqrt{5}}{5} $,此时 $ P(2,3) $。
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