书城教材教辅初中生如何有效地提高学习成绩
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第21章 数学实用学习法(3)

2.用分析综合法探求解题思路

解答综合题首先要认真审题,明确数学语言的含义,分清题设与结论,挖掘隐含条件的意义与题设条件之间的联系,但最关键的是沟通已知条件与未知结论之间的内在联系,获得正确的解题途径,这时分析综合法是行之有效的思维方法。

分析法是指从问题的结论出发,探求结论成立所需要的条件的思维方法,可以用“执果索因”来概括,综合法是指从问题的题设出发,通过一系列已经确定的命题,逐步推演,导出结论的思维方法,常用“由因导果”来概括,把这两种方法融合起来,遵循“分析—综合—再分析—再综合”的思路,不断地从结论想需知,由已知想可知,不断地发展条件,转化结论,探求思路,经过若干次反复就能找到解题的关键,这是解综合题探求解题思路的最基本的方法。

例1

已知:m、n均为整数,并且方程(1):x2-mx-n+3=0有两个不相等的实数根;方程(2):x2+(m-6)x-n+7=0有两个相等的实数根;方程(3):x2-(m-4)x-n+5=0无实数根,求m、n的值。

分析:

分析综合法不一定都是无从结论出发分析,再从条件出发综合,有时先从条件出发,扩展条件,再转化结论,探索需知,本题由题设易从根的情况得到系数m、n的关系,但这个关系是一个二元二次“混合组”,即有一个等量关系,两个不等关系,为求m、n的值,仍需对这个关系组进行消元或降次,即由已知想可知的方法上需要一种变形的技巧,如果不掌握整体代入化简的技巧,即使知道需知,也无法由可知得到。

解:∵方程(1)有两个不相等的实根,

∴△1=(-m)2-4(3-n)>0

∵方程(2)有两个相等实根

∴△2=(m-6)2-4(7-n)=0

∵方程(3)无实数根

∴△3=[-(m-4)]2-4(5-n)<0

m2+4n-12>0,

m2-12m+4n+8=0

m2-8m+4n-4<0?①

把①、②、③变形为:

m2+4n>12

m2-12m+4n+8=0,

m2+4n<8m+4①′

②′

③′

把②′代入①′,③′得:

12m-8>12④

12m-8<8m+4⑤

解这个关于m的一元一次不等式组,得

53<m<3

∵m为整数

∴m=2

把m=2代入②得n=3

∴m=2,n=3

分析:由条件可知AB、O1C为⊙O1和⊙O2的直径,联想直径上的圆周角是直角,则连结BD,∠ADB是直角,又由条件EH⊥AE,可知BD∥EH,还可以想到若连结DH,则DH是⊙O2的直径,即DH过O2,于是图中易得△DBO2≌△HGO2,从而O2G=O2B,再与O1O2=32AO1联系起来,可推出AO1=O1B=2BO2=BG=GC,AC=3AO1,AC=4AO1

再从结论分析,由sin∠AGE=AEAG,AG可以用AO1表示,若AE也用AO1表示,则可求sin∠AGE=63,因为AE是⊙O2,的割线,则联想割线定理求AE.由于已分析出△DBO2≌△HGO2,则用DB代换GH,求GHGE=DBEG=ABAG=23

五、常用的几种数学解题方法

1.解题方法(一):分类法

有些数学题,在解题过程中,常常需要根据适当的标准,把所要讨论的对象分成若干类,然后逐类进行求解,最终得出正确结论。这样的解题方法,通常称为分类法。

用分类法解题,要注意做好两方面的工作:一是不断增强分类意识,善于识别需要分类讨论的对象;二是能根据对象的具体特征,找出适当的分类标准,按照不重复、不遗漏的原则完成具体的分类。

例1解不等式(m+1)x<m2-1,并加以讨论,其中m为实参数。

分析:依一元一次不等式的解法,可以从x的系数入手,分成m+1>0、m+1=0、m+1<0三种情形进行求解。

解:分三种情形讨论:

(1)当m+1>0,即m>-1时,有解

x<m-1

(2)当m+1=0,即m=-1时,原不等式为0·x<-1,这是一个矛盾不等式,即此时原不等式无解。

(3)当m+1<0,即m<-1时,有解

x>m-1

综上讨论,当m>-1时,不等式的解为x<m-1;当m=-1时,不等式无解;当m<-1时,不等式的解为x>m-1

例2已知关于x的方程为

(k-2)x2-2(k-1)x+k+1=0,①

其中k≤3.求证:方程①总有实数根。

分析:方程①的二次项含有参数k,当k-2=0时为一次方程,当k-2≠0时为二次方程。因此,需分类进行证明。

证明:分两种情形来考察:

(1)当k-2=0,即k=2时,方程①为一元一次方程-2x+3=0,有实数根x=32

(2)当k-2≠0,即k≠2时,方程①为一元二次方程,它的判别式为

Δ=[-2(k-1)]2-4(k-2)(k+1)

=4(3-k)②

依题设,k≤3,即3-k≥0,于是由②式可知,Δ≥0.因此,这时方程有两个实数根。

综合①和②,原方程总有实数根。

2.解题方法(二):换元法

在解题过程中,把某一式子看做一个新的变量,进行变量代换,得到结构简单的新问题;在新问题解出后,再根据所作的代换返回到原题,求得原问题的解。这种解题方法,通常称为换元法,又称变量代换法。

换元法是初中数学的一种重要方法,在多项式的因式分解,代数式的化简计算,恒等式、条件等式或不等式的证明,方程、方程组、不等式或不等式组的求解,函数的解析式、定义域或值域的推求等问题中,都有着广泛的应用。

利用换元法解题,具有极大的灵活性,关键在于根据问题的结构特征,选取能以简驭繁、化难为易的等量代换。就换元的具体形式而论,初中代数中常用的有整式代换、分式代换、根式代换等,宜在解题实践中不断总结经验,掌握有关的技能技巧。

例1分解因式:(x2-x-3)(x2-x-5)-3

分析:本题如果把原式展开,化为x的四次多项式再分解因式,则数量关系比较复杂,不大容易成功。注意到x2-x在原式中出现两次,可作部分代换,令x2-x=y,先把原式转化为y的二次三项式,再进行分解因式,如解法1.由于x2-x-3与x2-x-5只相差一个常数,也可以把其中的一个(如x2-x-3)设为y,然后进行分解因式,如解法2.为了减少计算量,还可取x2-x-3与x2-x-5的算术平均x2-x-4为标准量,先作标准量代换,再分解因式,如解法3.

解法1:令x2-x=y,则

原式=(y-3)(y-5)-3

=y2-8y+12=(y-2)(y-6)

=(x2-x-2)(x2-x-6)

=(x+1)(x-2)(x+2)(x-3)

解法2:令x2-x-3=y,则x2-x-5=y-2,有原式=y(y-2)-3

=y2-2y-3=(y+1)(y-3)

=(x2-x-2)(x2-x-6)

=(x+1)(x-2)(x+2)(x-3)

解法3:令x2-x-4=y,则x2-x-3=y+1,x2-x-5=y-1,有

原式=(y+1)(y-1)-3

=y2-4=(y+2)(y-2)

=(x2-x-2)(x2-x-6)

=(x+1)(x-2)(x+2)(x-3)

此题表明,用换元法解题,所作的变量代换,常常有多种不同的方式,可以斟酌题设情形,灵活掌握。

例2已知x>2,计算:

x+2+x2-4x+2-x2-4+x+2-x2-4x+2+x2-4

分析:直接进行根式运算,计算量偏大。在x>2的条件下,x2-4=x+2·x-2,如果设x+2=a,x-2=b,则x+2=a2,x-2=b2,由此便可简化根式运算。

解令x+2=a,x-2=b,则

原式=a2+aba2-ab+a2-aba2+ab=a+ba-b+a-ba+b

=(a+b)2+(a-b)2a2-b2=2(a2+b2)a2-b2

=2(x+2+x-2)(x+2)-(x-2)=4x4=x

从以上解题所知,换元法是一种很好的解题方法,它可以使运算简化,方便解题。

3.解题方法(三):判别式法

实系数一元二次方程

ax2+bx+c=0(a≠0)①

的判别式Δ=b2-4ac具有以下性质:

Δ>0方程①有两个不相等的实数根。

Δ=0方程①有两个相等的实数根。

Δ<0方程①没有实数根。

对于一元二次函数

γ=ax2+bx+c②

它的判别式Δ=b2-4ac具有以下性质:

Δ>0抛物线②与x轴有两个不同交点。

Δ=0抛物线②与x轴相切于一点。

Δ<0抛物线②与x轴无公共点。

利用判别式Δ=b2-4ac的上述性质进行解题的方法,叫做判别式法。我们试看下面的例子。

例1对任何有理数m,方程

x2-4mx+4x+3m2-2m+4k=0

的根都为有理数,求k的值。

解:原方程整理为

x2+4(1-m)x+(3m2-2m+4k)=0

由条件可知

Δ1=4(m2-6m-4k+4)为有理数的平方数,则有

Δ2=(-6)2-4×1×(-4k+4)=0

解之,得k=-54

例2求方程组x+y=2

xy-z2=1的实数解。

解原方程组即x+y=2

xy=1+z2

我们构造以实数x、y为根的一元二次方程

u2-2u+1+z2=0①

则Δ=(-2)2-4(1+z2)≥0

即z2≤0,从而z=0

此时方程①为u2-2u+1=0

∴u1=u2=1

于是原方程组的解是x=y=1,z=0

4.解题方法(四):待定系数法

有些数学题,解题的结果具有某种确定的结构,这时可以先选取适合题意的结构形式,然后根据已知条件,求出结构中尚待确定的未知系数,从而得到原题的解。这种解题方法,通常称为待定系数法。

确定待定系数的值,有两种常用方法:比较系数法和特殊值法。

比较系数法,是指通过比较恒等式两边多项式的对应项系数,得到关于待定系数的若干关系式(通常是多元方程组),由此求得待定系数的值。

特殊值法,是指通过取字母的一些特定数值代入恒等式,由左右两边数值相等得到关于待定系数的若干关系式,由此求得待定系数的值。

待定系数法的应用十分广泛,在初中数学中,主要用于处理多项式的恒等变形问题,如分解因式、解方程、确定函数的解析式等。

例1已知多项式x4-5x3+11x2+ax+b能够被x2-2x+1整除,求a,b的值。

分析:被除式的最高次项为x4,常数项为b;除式的最高次项为x2,常数项为1,所以商式必为二次多项式,且可设为x2+mx+b,于是

x4-5x3+11x2+ax+b

=(x2+mx+b)(x2-2x+1)

由此,可用比较系数法或特殊值法确定a,b的值。

解法1:

设商式为x2+mx+b,则

x4-5x3+11x2+ax+b

=(x2+mx+b)(x2-2x+1)①

将①式右边展开,得

x4-5x3+11x2+ax+b

=x4+(m-2)x3+(1+b-2m)x2+(m-2b)x+b②

由于②式是恒等式,因此两边对应项的系数相等。比较②式两边对应项的系数,得

m-2=-5

1+b-2m=11

m-2b=a

解方程组,得

a=-11,b=4

解法2:

由题设条件,可设

x4-5x3+11x2+ax+b

=(x2+mx+b)(x2-2x+1)①

由于①式是恒等式,它对所有使式子有意义的x值都成立。令x=1、2、-1,得

7+a+b=0,

20+2a+b=4+2m+b,

17-a+b=4(1-m+b)

解方程组,得

a=-11,b=4

例2分解因式6x2+xy-2y2+x+10y-12

分析:由于6x2+xy-2y2=(2x-y)(3x+2y),所以原式的两个因式,必定具有2x-y+a和3x+2y+b的形式,于是,可用待定系数法分解因式。

解:设

6x2+xy-2y2+x+10y-12

=(2x-y+a)(3x+2y+b)①

①式右边展开,并比较两边对应项的系数,得

3a+2b=1

2a-b=10

ab=-12②

由②、③联立,解得a=3,b=-4,代入④式也成立。所以

原式=(2x-y+3)(3x+2y-4)

顺便指出,例2也可以按试验法的基本思想,用双十字相乘法求解,有

6x2+xy-2y2+x+10y-12

=(2x-y+3)(3x+2y-4)2x

3x×-y

2y×3

-4

从上面两个例子可以看出,在用待定系数法解题时,要注意题目的特点,选取恰当的结构形式,待定的系数越少,计算就越简便。

5.解题方法(五):同一法

同一法是一种间接证明方法,多用于几何题证明。

如果一个命题的题设和结论都是惟一存在的,而且所指的概念是同一概念,同时这个命题的逆命题的题设和结论也都是惟一存在的,而且所指的概念是同一概念,这样的命题和它的逆命题是等价的,原命题和它的逆命题等价的命题称为符合同一原理。

当一个命题不易直接证明,而它又符合同一原理时,我们就可以转而证明它的等价的逆命题,只要这个逆命题正确,原命题也就成立,这种证明方法叫做同一法。

运用同一法证明的步骤是:

(1)要证明某图形具有某种性质,可以先作出具有这种性质的图形;

(2)由所作图形的性质,经过推理,推得与命题的题设相合;

(3)据此图形性质的惟一性,知所作图形与已知图形相合;

(4)断定已知图形具有某种性质。

这里需要注意的是:

①命题的题设和结论都惟一存在,不是指命题的条件和结论只包含惟一的事项,即个数只有一个,而是指图形具有惟一的一种性质、特征。我们看一个命题是否符合同一原理,一定要看这个命题的题设和结论是否惟一存在,所指的概念是否为同一概念,而不要被题设和结论中事物的个数所迷惑。

②一个命题的题设和结论惟一存在,它的逆命题的题设和结论不一定惟一存在。在有多个逆命题时,只选择一个与原命题等价的逆命题来求证即可。

例1已知:△ABC,过AB边上任意一点D作直线DE交AC于E,使AD〖〗DB=AEEC,求证:DE∥BC。

分析:题设中的ADDB=AEEC,结论DE∥BC都是惟一存在的,符合同一原理,可用同一法。

证明:如图4-10,过D作直线DE′‖BC交AC于E′

则ADDB=AE′E′C

但已知ADDB=AEEC

∴AEEC=AE′E′C

由合比性质

AE+ECEC=AE′+E′CE′C

即ACEC=ACE′C

∴EC=E′C

E和E′都在AC上,且都在C点的同侧,而线段上截定长的端点是惟一的,因此E与E′必重合为一点。

∴DE∥BC

图4-11

例2求证:等腰三角形底边的垂直平分线必过顶点。

已知:△ABC中,AB=AC,BD=DCDE⊥BC

求证:DE过顶点A

分析:线段BC的垂直平分线惟一存在,△ABC的顶点A也惟一存在,符合同一原理,可用同一法。

证明:如图4-11连结AD

∵AB=AC,BD=DC,AD=AD

∴△ABD≌△ACD

∴∠ADB=∠ADC

又∠ADB+∠ADC=180°

∴∠ADB=∠ADC=90°

∴AD⊥BC

又BD=DC

∴AD是BC的垂直平分线.

但已知DE是BC的垂直平分线,而BC的垂直平分线只能有一条,因此DE与DA必重合

∴DE必过A点。

6.解题方法(六):反证法

反证法是一种间接证明方法。当有的命题采用直接证明不易证出或者比较繁难时,可改为证明原命题的反命题不成立(命题“若A则B”的反命题是“若A则非B”)或证明与原命题等价(或称等效)的逆否命题。

反证法是先提出与结论相反的假设,把此假设作为新的已知条件,然后推出与公理、定义、定理、题设、假设或推导自身相矛盾,这就证明了与原结论相反的结论不能成立,从而肯定了原结论必然成立。

反证法又分归谬法和穷举法两种:

当命题结论的反面只有一种情况时,只需推翻这种情况就能证明结论正确,叫做归谬法。

当命题结论的反面不止一种情况时,则需一一推翻,才能证明结论的正确,叫做穷举法。

用反证法证题的步骤如下:

(1)反设——假定结论的反面成立;

(2)矛盾——推理推出矛盾结果;

(3)结论——判断结论的反面错误,断定结论正确。

宜用反证法的类型:

①起始性命题。基本定理或某一系统的初始阶段已知条件较少,结论的反面多于已知条件,此时宜用反证法。

②否定型命题,结论中有“不是”、“不能”、“没有”、“不可约”等词语,其反而往往更具体,宜用反证法。

③惟一性命题。命题的结论以“至少”、“至多”、“惟一”等形式出现,宜用反证法。

④必然性问题。结论中有“必然”、“一定”、“必”、“总”等特征,宜用反证法。

⑤用直接证明方式较繁琐或有困难时,宜用反证法。

⑥命题的结论涉及无理数,因其反面是有理数,可以表示为pq(p与q互质),这时宜用反证法。