从运动变化的过程中寻找问题的答案

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  在近几年全国各地的高考试题中,加大了对运用用数学思想方法解决问题的能力的考查,而函数的思想是数学思想方法的核心.从运动变化的观点观察问题、分析问题是函数思想的精髓.取值范围问题和最值问题是我们经常遇到的问题,它更是高考考查的重要题型,这些问题中都含有变化的图形或变化的量,研究它们的变化过程和变化规律,是解决这类问题的基本方法,这种从运动变化的观点解决问题常常可以使解题过程更加简捷直观.
  例1在平面四边形ABCD中,∠A=∠B=∠C=75°,BC=2,则AB的取值范围是.
  分析:从条件看,四边形ABCD的边BC的长度和四个角的大小是确定的,而其它三边的长度是变化的,我们可以让点A、D动起来,观察它们的变化规律.
  解:如图所示,延长BA,CD交于E,平移AD,当A与D重合于E点时,AB最长,在△BCE中,∠B=∠C=75°,∠E=30°,BC=2,由正弦定理可得BCsin∠E=BEsin∠C,即2sin30°=BEsin75°,解得BE=6 2,平移AD,当D与C重合时,AB最短,此时与AB交于F,在△BCF中,∠B=∠BFC=75°,∠FCB=30°,由正弦定理知,BFsin∠FCB=BCsin∠BFC,即BFsin30°=2sin75°,解得BF=6-2,又因为ABCD是四边形,所以AB的取值范围为(6-2,6 2).
  例2已知OB=(2,0),OC=(2,2),CA=(2cosα,2sinα),则OA与OB夹角的取值范围是.
  分析:题中的点B、C是确定的,点A随着α的变化而变化,故需研究点A的变化规律,即研究点A的轨迹.
  解:因为|CA|=2,所以点A在以C为圆心,2为半径的圆上运动,过原点作此圆的切线,那么得到两条切线,这两条切线的倾斜角分别为π4-π6=π12和π4 π6=5π12,从而向量OA与OB夹角的范围是[π12,5π12].
  例3满足条件AB=2,AC=2BC的三角形ABC的面积的最大值为.
  分析:如果固定点A、B,让点C运动,建立适当的平面直角坐标系后可求出点C的轨迹方程,再用数形结合的方法就能求出三角形ABC的面积的最大值.
  解:以AB所在的直线x轴,AB的中点O为原点,建立如图所示的直角坐标系,则A(-1,0),B(1,0),设点C(x,y),则由AC=2BC得C点的轨迹方程为:(x-3)2 y2=8(y≠0).所以,点C在以M(3,0)为圆心,半径r=22的圆上.从图中看出,点C到x轴的最大距离为22.
  所以,三角形ABC的面积的最大值为:12AB·r=12·2·22=22.
  评注:设BC=x,从而AC=2x,可以求出三角形ABC的面积关于x的函数表达式,再用函数的方法求出面积的最大值,但所用知识点较多,且不易得到正确结果.由AC=2BC联想到点C的轨迹是圆,从而可用圆的有关知识去分析,直观、简捷.
  例4已知二次函数f(x)=ax2 (2b 1)x-a-2在区间[3,4]上至少有一个零点,则a2 b2的最小值为.
  分析:f(x)的零点就是关于x的方程ax2 (2b 1)x-a-2=0的根,这个方程的根随着a、b的变化而变化,若将P(a,b)看成动点,则点P在直线l:(x2-1)a 2xb x-2=0上,且a2 b2=OP2,从而当OP⊥l时,a2 b2取最小值.
  解:f(x)=0即ax2 (2b 1)x-a-2=0即(x2-1)a 2xb x-2=0,这是一个关于a、b的方程,表示aOb平面上的一条直线,记为l.
  设P(a,b),则点P在直线l:(x2-1)a 2xb x-2=0上,从而当OP⊥l时,a2 b2取最小值.
  又OP⊥l时,
  OP=|x-2|(x2-1)2 (2x)2
  =|x-2|x2 1,
  设t=x-2,∵3≤x≤4,∴1≤t≤2,
  ∴|x-2|x2 1=tt2 4t 5=1t 5t 4,
  ∵函数y=t 5t 4在[1,2]上是减函数,
  ∴172≤t 5t 4≤10,
  ∴|x-2|x2 1=1t 5t 4≥110,
  ∴当且仅当t=1,即x=3时,a2 b2取最小值1100.
  评注:如果先由条件求出a、b满足的不等式组,再从不等式组出发求a2 b2的最小值,将是非常复杂的.我们首先变换主变元,将这个关于x的方程,看成关于a、b的方程,再数形结合求解,就避开了难点,使问题迅速得到了解决.
  (作者:卜以军,江苏省建湖高级中学)
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