数学解题要有四种意识

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  同学们,高考在即.经过了三年的高中数学学习,你们能掌握数学解题的要领吗?本文提出的四种意识,或许对你们高考解题有所帮助.
  第一,要有目标意识
  数学解题没有固定的方法,但必须要有目标意识,因为有了解题目标,才能进行有目的的变形.这当中,“求什么,列什么,解什么”,有时显得非常管用.
  例1已知点A(-3,0),圆O的方程为x2 y2=4,是否存在不同于点A的定点B,对于圆O上任意一点M,都有MAMB为常数,若存在,求所有满足条件的点B的坐标;若不存在,说明理由.
  解析:解析几何中的定点或定值问题,一直是许多同学难以逾越的一条“鸿沟”,究其原因,就是缺乏解题的目标意识,从而找不到解题思路.
  对于本例,首先要明确求未知点的坐标,一般是通过解方程组来实现,因此第一个解题目标就是列方程,将“MAMB为常数”转化为方程组:设B(m,n),M(x,y),MAMB=k(k>0).则x2 y2=4
  且(x 3)2 y2(x-m)2 (y-n)2=k,整理得,
  6x 13=-2mk2x-2nk2y (m2 n2)k2 4k2,于是有2nk2=0-2mk2=6(m2 n2)k2 4k2=13;其次要有解方程组的目标意识:容易解得n=0m=-43或n=0m=-3(舍),
  ∴B(-43,0).
  评注:没有目标就会失去方向,解题也是如此.确定解题目标,本质上就是探求一条切实可能的解题思路,探求一条从题设到结论的“绿色通道”.
  例2已知数列{an}和{bn}满足:a1=λ,an 1=23an n-4,bn=(-1)n(an-3n 21),其中λ为实数,n为正整数.
  (1)对任意实数λ,证明:数列{an}不是等比数列;
  (2)试判断数列{bn}是否为等比数列.
  解析:对于(1),如果没有目标意识,往往会无从下手.而有了目标意识,就是证明a2n 1=an·an 2不恒成立,于是将问题特殊化,先求a22=a1·a3是否成立.
  对于(2),解题目标就是是否能找到公比,并且注意首项是否可以为零.
  (1)证明:假设存在一个实数λ,使{an}是等比数列,
  则有a22=a1·a3,即(23λ-3)2=λ·(49λ-4)
  49λ2-4λ 9=49λ2-4λ9=0,矛盾.
  所以{an}不是等比数列.
  (2)因为bn 1=(-1)n 1[an 1-3(n 1) 21]=(-1)n 1(23an-2n 14)
  =-23(-1)n·(an-3n 21)=-23bn,
  又b1=-(λ 18),所以当λ=-18时,bn=0(n∈N*),此时{bn}不是等比数列;当λ≠-18时,b1=-(λ 18)≠0,由bn 1=-23bn,可知bn≠0,所以bn 1bn=-23(n∈N*).
  故当λ≠-18时,数列{bn}是以-(λ 18)为首项,-23为公比的等比数列.
  综上知,当λ=-18时,数列{bn}不是等比数列;
  当λ≠-18时,数列{bn}是以-(λ 18)为首项,-23为公比的等比数列.
  评注:目标意识与解题思路相辅相成,有了解题目标,才能在目标意识下催生解题思路.
  第二,要有求简意识
  求简,是数学解题的一种最高境界.求简意识,不仅能优化我们的思维,更能使我们的解题快速有效.我们知道,有些简答题的解法不唯一,如果选择方法不当,再加上考试时心情紧张,往往使计算无法进行到底.如何求简,归根到底是学会转化,如数形转化、换元转化、整体转化等.
  例3已知4x-3y 12=0,
  则F=(x-1)2 (y 2)2的最小值为.
  解析:这是一道在对x、y进行约束的条件下求解含有根式的函数极值的问题.通过对函数解析式及约束条件的分析,我们很快就可以得到:
  F=(x-1)2 (y 2)2的最小值的几何含义是:直线l:4x-3y 12=0上的任意一点A(x,y)与点B(1,-2)间的距离的最小值.
  因此函数F=(x-1)2 (y 2)2的最小值也就是点B到直线l的距离,
  即Fmin=d=|4×1-3×(-2) 12|5=225.
  评注:作为填空题,最忌“小题大做”.解题时我们应抓住问题的本质,挖掘问题的内涵,尤其要注意数与形之间的联系.
  例4在平面直角坐标系xOy中,圆C的方程为x2 y2-8x 15=0,若直线y=kx-2上至少存在一点,使得以该点为圆心,1为半径的圆与圆C有公共点,则k的最大值是.
  解析:一般解法如下:
  设P(x0,kx0-2)是直线y=kx-2上一点,
  以P为圆心,1为半径的圆方程为(x-x0)2 (y-kx0 2)2=1.
  因为它与圆C:(x-4)2 y2=1有公共点,所以两圆相交,
  从而有(x0-4)2 (kx0-2)2≤4,即(1 k2)x20-(4k 8)x0 16≤0有解,
  所以Δ=(4k 8)2-64(1 k2)≥0,
  化简得3k2-4k≤0,解得0≤k≤43.所以k的最大值为43.
  倘若我们能抓住问题的本质,从数形结合角度考虑,就会得到如下优美解法:
  圆C:(x-4)2 y2=1,如图,直线y=kx-2上至少存在一点,使得以该点为圆心,1为半径的圆与圆C有公共点,只需保证圆心C到y=kx-2的距离小于或等于2即可,
  ∴|4k-2|1 k2≤20≤k≤43.∴kmax=43.   评注:挖掘原问题的几何意义,往往能使我们豁然开朗.数形结合,是简化解题过程的最有效的途径之一.
  第三,要有转化意识
  数学问题的求解,离不开逻辑变换的转化.而巧妙的转化可以给解题开辟途径,达到化难为易的目的.因此,掌握各类问题的转化变换方法,是提高观察条件、分析题意和提高解题能力的重要手段.
  例5已知函数f(x)=4x k2x 14x 2x 1,若对于任意实数x1,x2,x3,均存在以f(x1),f(x2),f(x3)为三边长的三角形,则实数k的取值范围是.
  解析:本题虽然没有出现“恒成立”的字样,却是一个函数隐性恒成立问题,根据条件对任意x1,x2,x3,均存在以f(x1),f(x2),f(x3)为三边长的三角形,则必有fmax(x)<2fmin(x),于是转化为函数的最值问题.
  f(x)=1 2x(k-1)4x 2x 1=1 k-12x 2-x 1,且2x 2-x≥2(当仅当x=0时等号成立).
  故当k>1时1  评注:恒成立问题一般采用最值法,所谓最值法就是原问题转化为函数的最值问题:f(x)≥a恒成立fmin(x)≥a;f(x)≤a恒成立fmax(x)≤a.
  例6已知函数f(x)=(13)x,x∈[-1,1],函数g(x)=f2(x)-2af(x) 3的最小值为h(a).
  (1)求h(a);
  (2)是否存在实数m、n,同时满足以下条件:
  ①m>n>3;②当h(a)的定义域为[n,m]时,值域为[n2,m2].若存在,求出m,n的值;若不存在,说明理由.
  解析:(1)由f(x)=(13)x的单调性可求出f(x)的值域,g(x)是以f(x)为变元的二次函数,令t=(13)x,可求关于t的二次函数的最小值h(a).
  因为x∈[-1,1],所以(13)x∈[13,3].
  设(13)x=t,t∈[13,3],则g(x)=φ(t)=t2-2at 3=(t-a)2 3-a2.
  当a<13时,h(x)=φ(13)=289-23a;
  当13≤a≤3时,h(a)=φ(a)=3-a2;
  当a>3时,h(a)=φ(3)=12-6a.
  所以h(a)=289-2a3(a<13)3-a2(13≤a≤3)12-6a(a>3).
  (2)由(1)知当m>n>3时h(a)的表达式,考察h(a)在[n,m]上的单调性,结合其值域[n2,m2],可列出关于m,n的方程组求解m,n,如果有解则所求实数m,n存在,否则不存在.
  因为m>n>3,a∈[n,m],所以h(a)=12-6a.
  因为h(a)的定义域为[n,m],值域为[n2,m2],且h(a)为减函数,
  所以12-6m=n212-6n=m2,两式相减得6(m-n)=(m-n)(m n),
  因为m>n,所以m-n≠0,
  故有m n=6,但这与“m>n>3”矛盾,故满足条件的实数m,n不存在.
  评注:求解本题关键在于利用换元的思想方法,将原问题转化为二次函数在闭区间上的最值问题,然后通过分类讨论求出函数的最值.对于存在性问题,往往是首先假设符合条件的参数存在,然后根据给出的条件进行推理求解,若不能推出矛盾,则说明符合要求的参数存在,否则说明符合要求的参数不存在.
  第四,要有反思意识
  俗话说:“人非圣贤,孰能无过”.在解题的过程中,谁都可能会出现这样或那样的错误,因此在解完一道题后就很有必要审查自己的解题是否混淆了概念,是否忽视了隐含条件,是否特殊代替一般,是否忽视特例,逻辑上是否有问题,运算是否正确等.这样做是为了保证解题无误,这是解题后最基本的要求.因此,在解题的同时,我们应及时反思,在反思中提高解题的准确率.
  例7两个等差数列{an},{bn},a1 a2 … anb1 b2 … bn=7n 2n 3,则a5b5=.
  错解:因为a1 a2 … anb1 b2 … bn=7n 2n 3,因此,可设
  a1 a2 … an=Sn,b1 b2 … bn=Tn,于是Sn=7n 2,Tn=n 3,
  ∴a5=S5-S4=(7×5 2)-(7×4 2)=7,b5=T5-T4=(5 3)-(4 3)=1,
  故a5b5=71=7.
  反思:错解中的设法,表明了数列{an}和{bn}的前n次项都是n的一次式,而等差数列{an}的前n项和:Sn=na1 n(n-1)2d=d2n2 (a1-d2)n,其中d为公差,令d2=a,(a1-d2)=b,则等差数列前n项和的公式:Sn=an2 bn.只有当等差数列是常数列,即公差d=0时,才能将其前n项的和设为Sn=an b的形式,而本题没有这样的条件.因此只能得Sn=an2 bn的二次式,这种解法犯了偷换题设的错误,其原因在于对等差数列的前n项和公式的特征认识不到位.
  正解:a5b5=2a52b5=a1 a9b1 b9=9(a1 a9)29(b1 b9)2=S9T9=6512.
  评注:此法很简洁明快,给人耳目一新,其实此法巧妙利用等差数列的性质,将等差数列的通项公式与前n项和Sn联系起来,在已知和未知之间架起了桥梁.
  例8已知a>0,b>0,a b=1,求(a 1a)2 (b 1b)2的最小值.
  错解:由(a 1a)2 (b 1b)2=a2 b2 1a2 1b2 4≥2ab 2ab 4≥4ab·1ab 4=8,
  于是,(a 1a)2 (b 1b)2的最小值是8.
  反思:利用基本不等式求最值,必须注意等号能否取到.错解两次利用基本不等式,等号分别在a=1,b=1时取到,此时a b=2,与题设a b=1矛盾,故等号不能同时取到.
  正解:(a 1a)2 (b 1b)2
  =a2 b2 1a2 1b2 4
  =(a2 b2) (1a2 1b2) 4
  =[(a b)2-2ab] [(1a 1b)2-2ab] 4
  =(1-2ab)(1a2b2-2ab) 4
  由ab≤(a b2)2=14,得1-2ab≥1-12=12,且1a2b2≥16,1 1a2b2≥17.
  ∴原式≥12×17 4=252(当且仅当a=b=12时,等号成立),
  ∴(a 1a)2 (b 1b)2的最小值是252.
  评注:利用基本不等式时,必须要注意解答过程是否满足“一正二定三相等”,尤其是在多次应用基本不等式时更要关注这个“易错点”.
  (作者:邵红,太仓市教师发展中心)
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