本题导读
本题考查抛物线的标准方程与几何性质,以及圆与抛物线的位置关系。
📌【题干】
Question
(2011年重庆卷(理)) 设圆 位于抛物线 与直线 所围成的封闭区域(包含边界)内,则圆 的半径能取到的最大值为.
🔍【思路分析】
破题导航
- 设圆心为 ,半径为 。由图形对称性,圆取最大半径时,其圆心必落在抛物线的对称轴( 轴)上,即 ,且圆与直线 相切。
- 由与直线 相切可知,圆心坐标可表示为 。
- 圆位于抛物线内部需满足:圆上任意点到抛物线的距离非负,即圆上的点不能超出抛物线边界,圆与抛物线相切或相交于顶点。
- 分析圆心 到抛物线上动点 距离的平方函数,结合顶点与切点情况确定极值状态。
✅【答案】
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✍【详细解析】
Abstract
由区域的上下对称性,圆半径最大时,圆心必在 轴上,设圆心为 ,半径为 。 为使半径最大,圆应向右侧边界充分扩张,即圆必与直线 相切,故: 。 设抛物线 上任意一点为 ,则 到圆心 的距离的平方为: (其中 )。 圆包含在抛物线内部,等价于 对所有 恒成立。 将 视为关于 的二次函数,其对称轴为 。
分情况讨论对称轴位置:
- 若对称轴 ,即 : 函数 在 上单调递增, 其最小值为 。 要求 (因为 )。 结合 ,得 。 此时 ,与前提 矛盾。
- 若对称轴 ,即 : 函数 在 处取得最小值: 。 要求 ,即: 。 将 代入,得: 。 解关于 的不等式: 。 验证条件:当 时,,满足条件。 切点横坐标 ,均在区间范围内。
综上所述,圆 半径能取到的最大值为 。
故答案为:。
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:解析几何中二次曲线的内切圆、二次函数闭区间最值与相切临界条件。
- 核心方法:函数距离法(将曲线间的包含关系转化为两点距离极值问题)。
- 避坑指南:容易错误地直接认为圆与抛物线在原点 处相切(即误认为 ),忽略了当圆心横坐标较大时,圆与抛物线会在两侧相切(非原点)产生干涉。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 试题探源:源自高等几何中抛物线曲率圆与区域包容几何极值问题。抛物线 在原点处的曲率半径为 ,当圆心横坐标大于 时,内切点将脱离原点分叉成对称的两个切点。
- 结论推广:圆心在 轴上的圆 在抛物线 内部,当 时,圆与抛物线相切的充要半径公式为 。
🔗【关联脉络】
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