前 言
美国著名数学教育家波利亚说过,掌握数学就意味着要善于解题。而当我们解题时遇到一个新问题,总想用熟悉的题型去“套”,这只是满足于解出来,只有对数学思想、数学方法理解透彻及融会贯通时,才能提出新看法、巧解法。高考试题十分重视对于数学思想方法的考查,特别是突出考查能力的试题,其解答过程都蕴含着重要的数学思想方法。我们要有意识地应用数学思想方法去分析问题解决问题,形成能力,提高数学素质,使自己具有数学头脑和眼光。
高考试题主要从以下几个方面对数学思想方法进行考查:
常用数学方法:配方法、换元法、待定系数法、数学归纳法、参数法、消去法等;
数学逻辑方法:分析法、综合法、反证法、归纳法、演绎法等;
数学思维方法:观察与分析、概括与抽象、分析与综合、特殊与一般、类比、归纳和演绎等;
常用数学思想:函数与方程思想、数形结合思想、分类讨论思想、转化(化归)思想等。
数学思想方法与数学基础知识相比较,它有较高的地位和层次。数学知识是数学内容,可以用文字和符号来记录和描述,随着时间的推移,记忆力的减退,将来可能忘记。而数学思想方法则是一种数学意识,只能够领会和运用,属于思维的范畴,用以对数学问题的认识、处理和解决,掌握数学思想方法,不是受用一阵子,而是受用一辈子,即使数学知识忘记了,数学思想方法也还是对你起作用。
数学思想方法中,数学基本方法是数学思想的体现,是数学的行为,具有模式化与可操作性的特征,可以选用作为解题的具体手段。数学思想是数学的灵魂,它与数学基本方法常常在学习、掌握数学知识的同时获得。
可以说,“知识”是基础,“方法”是手段,“思想”是深化,提高数学素质的核心就是提高学生对数学思想方法的认识和运用,数学素质的综合体现就是“能力”。
为了帮助学生掌握解题的金钥匙,掌握解题的思想方法,本书先是介绍高考中常用的数学基本方法:配方法、换元法、待定系数法、数学归纳法、参数法、消去法、反证法、分析与综合法、特殊与一般法、类比与归纳法、观察与实验法,再介绍高考中常用的数学思想:函数与方程思想、数形结合思想、分类讨论思想、转化(化归)思想。最后谈谈解题中的有关策略和高考中的几个热点问题,并在附录部分提供了近几年的高考试卷。
在每节的内容中,先是对方法或者问题进行综合性的叙述,再以三种题组的形式出现。再现性题组是一组简单的选择填空题进行方法的再现,示范性题组进行详细的解答和分析,对方法和问题进行示范。巩固性题组旨在检查学习的效果,起到巩固的作用。每个题组中习题的选取,又尽量综合到代数、三角、几何几个部分重要章节的数学知识。
第一章 高中数学解题基本方法
配方法
配方法是对数学式子进行一种定向变形(配成“完全平方”)的技巧,通过配方找到已知和未知的联系,从而化繁为简。何时配方,需要我们适当预测,并且合理运用“裂项”与“添项”、“配”与“凑”的技巧,从而完成配方。有时也将其称为“凑配法”。
最常见的配方是进行恒等变形,使数学式子出现完全平方。它主要适用于:已知或者未知中含有二次方程、二次不等式、二次函数、二次代数式的讨论与求解,或者缺xy项的二次曲线的平移变换等问题。
配方法使用的最基本的配方依据是二项完全平方公式(a+b)=a+2ab+b,将这个公式灵活运用,可得到各种基本配方形式,如:
a+b=(a+b)-2ab=(a-b)+2ab;
a+ab+b=(a+b)-ab=(a-b)+3ab=(a+)+(b);
a+b+c+ab+bc+ca=[(a+b)+(b+c)+(c+a)]
a+b+c=(a+b+c)-2(ab+bc+ca)=(a+b-c)-2(ab-bc-ca)=…
结合其它数学知识和性质,相应有另外的一些配方形式,如:
1+sin2α=1+2sinαcosα=(sinα+cosα);
x+=(x+)-2=(x-)+2 ;…… 等等。
Ⅰ、再现性题组:
1. 在正项等比数列{a}中,aa+2aa+aa=25,则 a+a=_______。
2. 方程x+y-4kx-2y+5k=0表示圆的充要条件是_____。
A. <k<1 B. k<或k>1 C. k∈R D. k=或k=1
3. 已知sinα+cosα=1,则sinα+cosα的值为______。
A. 1 B. -1 C. 1或-1 D. 0
4. 函数y=log (-2x+5x+3)的单调递增区间是_____。
A. (-∞, ] B. [,+∞) C. (-,] D. [,3)
5. 已知方程x+(a-2)x+a-1=0的两根x、x,则点P(x,x)在圆x+y=4上,则实数a=_____。
【简解】 1小题:利用等比数列性质aa=a,将已知等式左边后配方(a+a)易求。答案是:5。
2小题:配方成圆的标准方程形式(x-a)+(y-b)=r,解r>0即可,选B。
3小题:已知等式经配方成(sinα+cosα)-2sinαcosα=1,求出sinαcosα,然后求出所求式的平方值,再开方求解。选C。
4小题:配方后得到对称轴,结合定义域和对数函数及复合函数的单调性求解。选D。
5小题:答案3-。
Ⅱ、示范性题组:
例1. 已知长方体的全面积为11,其12条棱的长度之和为24,则这个长方体的一条对角线长为_____。
A. 2 B. C. 5 D. 6
【分析】 先转换为数学表达式:设长方体长宽高分别为x,y,z,则 ,而欲求对角线长,将其配凑成两已知式的组合形式可得。
【解】设长方体长宽高分别为x,y,z,由已知“长方体的全面积为11,其12条棱的长度之和为24”而得:。
长方体所求对角线长为:===5
所以选B。
【注】本题解答关键是在于将两个已知和一个未知转换为三个数学表示式,观察和分析三个数学式,容易发现使用配方法将三个数学式进行联系,即联系了已知和未知,从而求解。这也是我们使用配方法的一种解题模式。
例2. 设方程x+kx+2=0的两实根为p、q,若()+()≤7成立,求实数k的取值范围。
【解】方程x+kx+2=0的两实根为p、q,由韦达定理得:p+q=-k,pq=2 ,
()+()====≤7, 解得k≤-或k≥ 。
又 ∵p、q为方程x+kx+2=0的两实根, ∴ △=k-8≥0即k≥2或k≤-2
综合起来,k的取值范围是:-≤k≤- 或者 ≤k≤。
【注】 关于实系数一元二次方程问题,总是先考虑根的判别式“Δ”;已知方程有两根时,可以恰当运用韦达定理。本题由韦达定理得到p+q、pq后,观察已知不等式,从其结构特征联想到先通分后配方,表示成p+q与pq的组合式。假如本题不对“△”讨论,结果将出错,即使有些题目可能结果相同,去掉对“△”的讨论,但解答是不严密、不完整的,这一点我们要尤为注意和重视。
例3. 设非零复数a、b满足a+ab+b=0,求()+() 。
【分析】 对已知式可以联想:变形为()+()+1=0,则=ω (ω为1的立方虚根);或配方为(a+b)=ab 。则代入所求式即得。
【解】由a+ab+b=0变形得:()+()+1=0 ,
设ω=,则ω+ω+1=0,可知ω为1的立方虚根,所以:=,ω==1。
又由a+ab+b=0变形得:(a+b)=ab ,
所以 ()+()=()+()=()+()=ω+=2 。
【注】 本题通过配方,简化了所求的表达式;巧用1的立方虚根,活用ω的性质,计算表达式中的高次幂。一系列的变换过程,有较大的灵活性,要求我们善于联想和展开。
【另解】由a+ab+b=0变形得:()+()+1=0 ,解出=后,化成三角形式,代入所求表达式的变形式()+()后,完成后面的运算。此方法用于只是未联想到ω时进行解题。
假如本题没有想到以上一系列变换过程时,还可由a+ab+b=0解出:a=b,直接代入所求表达式,进行分式化简后,化成复数的三角形式,利用棣莫佛定理完成最后的计算。
Ⅲ、巩固性题组:
函数y=(x-a)+(x-b) (a、b为常数)的最小值为_____。
A. 8 B. C. D.最小值不存在
α、β是方程x-2ax+a+6=0的两实根,则(α-1) +(β-1)的最小值是_____。
A. - B. 8 C. 18 D.不存在
已知x、y∈R,且满足x+3y-1=0,则函数t=2+8有_____。
A.最大值2 B.最大值 C.最小值2 B.最小值
椭圆x-2ax+3y+a-6=0的一个焦点在直线x+y+4=0上,则a=_____。
A. 2 B. -6 C. -2或-6 D. 2或6
化简:2+的结果是_____。
A. 2sin4 B. 2sin4-4cos4 C. -2sin4 D. 4cos4-2sin4
6. 设F和F为双曲线-y=1的两个焦点,点P在双曲线上且满足∠FPF=90°,则△FPF的面积是_________。
7. 若x>-1,则f(x)=x+2x+的最小值为___________。
8. 已知〈β<α〈π,cos(α-β)=,sin(α+β)=-,求sin2α的值。(92年高考题)
9. 设二次函数f(x)=Ax+Bx+C,给定m、n(m<n),且满足A[(m+n)+ mn]+2A[B(m+n)-Cmn]+B+C=0 。
解不等式f(x)>0;
② 是否存在一个实数t,使当t∈(m+t,n-t)时,f(x)<0 ?若不存在,说出理由;若存在,指出t的取值范围。
10. 设s>1,t>1,m∈R,x=logt+logs,y=logt+logs+m(logt+logs),
将y表示为x的函数y=f(x),并求出f(x)的定义域;
若关于x的方程f(x)=0有且仅有一个实根,求m的取值范围。
二、换元法
解数学题时,把某个式子看成一个整体,用一个变量去代替它,从而使问题得到简化,这叫换元法。换元的实质是转化,关键是构造元和设元,理论依据是等量代换,目的是变换研究对象,将问题移至新对象的知识背景中去研究,从而使非标准型问题标准化、复杂问题简单化,变得容易处理。
换元法又称辅助元素法、变量代换法。通过引进新的变量,可以把分散的条件联系起来,隐含的条件显露出来,或者把条件与结论联系起来。或者变为熟悉的形式,把复杂的计算和推证简化。
它可以化高次为低次、化分式为整式、化无理式为有理式、化超越式为代数式,在研究方程、不等式、函数、数列、三角等问题中有广泛的应用。
换元的方法有:局部换元、三角换元、均值换元等。局部换元又称整体换元,是在已知或者未知中,某个代数式几次出现,而用一个字母来代替它从而简化问题,当然有时候要通过变形才能发现。例如解不等式:4+2-2≥0,先变形为设2=t(t>0),而变为熟悉的一元二次不等式求解和指数方程的问题。
三角换元,应用于去根号,或者变换为三角形式易求时,主要利用已知代数式中与三角知识中有某点联系进行换元。如求函数y=+的值域时,易发现x∈[0,1],设x=sinα ,α∈[0,],问题变成了熟悉的求三角函数值域。为什么会想到如此设,其中主要应该是发现值域的联系,又有去根号的需要。如变量x、y适合条件x+y=r(r>0)时,则可作三角代换x=rcosθ、y=rsinθ化为三角问题。
均值换元,如遇到x+y=S形式时,设x=+t,y=-t等等。
我们使用换元法时,要遵循有利于运算、有利于标准化的原则,换元后要注重新变量范围的选取,一定要使新变量范围对应于原变量的取值范围,不能缩小也不能扩大。如上几例中的t>0和α∈[0,]。
Ⅰ、再现性题组:
1.y=sinx·cosx+sinx+cosx的最大值是_________。
2.设f(x+1)=log(4-x) (a>1),则f(x)的值域是_______________。
3.已知数列{a}中,a=-1,a·a=a-a,则数列通项a=___________。
4.设实数x、y满足x+2xy-1=0,则x+y的取值范围是___________。
5.方程=3的解是_______________。
6.不等式log(2-1) ·log(2-2)〈2的解集是_______________。
【简解】1小题:设sinx+cosx=t∈[-,],则y=+t-,对称轴t=-1,当t=,y=+;
2小题:设x+1=t (t≥1),则f(t)=log[-(t-1)+4],所以值域为(-∞,log4];
3小题:已知变形为-=-1,设b=,则b=-1,b=-1+(n-1)(-1)=-n,所以a=-;
4小题:设x+y=k,则x-2kx+1=0, △=4k-4≥0,所以k≥1或k≤-1;
5小题:设3=y,则3y+2y-1=0,解得y=,所以x=-1;
6小题:设log(2-1)=y,则y(y+1)<2,解得-2<y<1,所以x∈(log,log3)。
Ⅱ、示范性题组:
例1. 实数x、y满足4x-5xy+4y=5 ( ①式) ,设S=x+y,求+的值。(93年全国高中数学联赛题)
【分析】 由S=x+y联想到cosα+sinα=1,于是进行三角换元,设代入①式求S和S的值。
【解】设代入①式得: 4S-5S·sinαcosα=5
解得 S= ;
∵ -1≤sin2α≤1 ∴ 3≤8-5sin2α≤13 ∴ ≤≤
∴ +=+==
此种解法后面求S最大值和最小值,还可由sin2α=的有界性而求,即解不等式:||≤1。这种方法是求函数值域时经常用到的“有界法”。
【另解】 由S=x+y,设x=+t,y=-t,t∈[-,],
则xy=±代入①式得:4S±5=5,
移项平方整理得 100t+39S-160S+100=0 。
∴ 39S-160S+100≤0 解得:≤S≤
∴ +=+==
【注】 此题第一种解法属于“三角换元法”,主要是利用已知条件S=x+y与三角公式cosα+sinα=1的联系而联想和发现用三角换元,将代数问题转化为三角函数值域问题。第二种解法属于“均值换元法”,主要是由等式S=x+y而按照均值换元的思路,设x=+t、y=-t,减少了元的个数,问题且容易求解。另外,还用到了求值域的几种方法:有界法、不等式性质法、分离参数法。
和“均值换元法”类似,我们还有一种换元法,即在题中有两个变量x、y时,可以设x=a+b,y=a-b,这称为“和差换元法”,换元后有可能简化代数式。本题设x=a+b,y=a-b,代入①式整理得3a+13b=5 ,求得a∈[0,],所以S=(a-b)+(a+b)=2(a+b)=+a∈[,],再求+的值。
例2. △ABC的三个内角A、B、C满足:A+C=2B,+=-,求cos的值。(96年全国理)
【分析】 由已知“A+C=2B”和“三角形内角和等于180°”的性质,可得 ;由“A+C=120°”进行均值换元,则设 ,再代入可求cosα即cos。
【解】由△ABC中已知A+C=2B,可得 ,
由A+C=120°,设,代入已知等式得:+=+=+===-2,
解得:cosα=, 即:cos=。
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