已知正方形 $ABCD$ 的顶点 $A,B$ 在抛物线 $y=x^2$ 上,顶点 $C,D$ 在直线 $y=x-4$ 上,则正方形 $ABCD$ 的边长为 .
【难度】
【出处】
全国高中数学联赛模拟试题(22)
【标注】
【答案】
$3\sqrt{2}$ 或 $5\sqrt{2}$
【解析】
设 $A$ 的坐标为 $(t_1,t_1^2)$,$B$ 的坐标为 $(t_2,t_2^2)$,显然,由 $AD\varparallel BC$,得 $1=\frac{t_2^2-t_1^2}{t_2-t_1}$,即 $t_1+t_2=1$.
设正方形 $ABCD$ 的边长为 $d$,则$$\begin{aligned}d^2&=|AB|^2=(t_1-t_2)^2+(t_1^2-t_2^2)^2=(t_1-t_2)^2(1+(t_1+t_2)^2)\\
&=2((t_1+t_2)^2-4t_1t_2)=2(1-4t_1t_2),\\
\end{aligned}$$即$$t_1t_2=\frac{1}{8}(2-d^2).~~~~ ① $$又有$$d=|AD|=\frac{|t_1-t_1^2-4|}{\sqrt{2}}=\frac{|t_1(1-t_1)-4|}{\sqrt{2}}=\frac{|t_1t_2-4|}{\sqrt{2}}.$$于是$$2d^2=(t_1t_2-4)^2.~~~~ ② $$将式 ① 代入式 ②,整理得$$d^4-68d^2+900=0.$$解得 $d=\pm 3\sqrt{2}$ 或 $\pm 5\sqrt{2}$.舍去负值,即知正方形 $ABCD$ 的边长为 $3\sqrt{2}$ 或 $5\sqrt{2}$.
设正方形 $ABCD$ 的边长为 $d$,则$$\begin{aligned}d^2&=|AB|^2=(t_1-t_2)^2+(t_1^2-t_2^2)^2=(t_1-t_2)^2(1+(t_1+t_2)^2)\\
&=2((t_1+t_2)^2-4t_1t_2)=2(1-4t_1t_2),\\
\end{aligned}$$即$$t_1t_2=\frac{1}{8}(2-d^2).~~~~ ① $$又有$$d=|AD|=\frac{|t_1-t_1^2-4|}{\sqrt{2}}=\frac{|t_1(1-t_1)-4|}{\sqrt{2}}=\frac{|t_1t_2-4|}{\sqrt{2}}.$$于是$$2d^2=(t_1t_2-4)^2.~~~~ ② $$将式 ① 代入式 ②,整理得$$d^4-68d^2+900=0.$$解得 $d=\pm 3\sqrt{2}$ 或 $\pm 5\sqrt{2}$.舍去负值,即知正方形 $ABCD$ 的边长为 $3\sqrt{2}$ 或 $5\sqrt{2}$.
题目
答案
解析
备注