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刊名: 基础教育课程
主办: 教育部基础教育课程教材发展中心
周期: 月刊
出版地:北京市
语种: 中文;
开本: 大16开
ISSN: 1672-6715
CN: 11-5187/G
邮发代号: 80-447
投稿邮箱:jcjykczz@163.com

历史沿革:
现用刊名:基础教育课程
曾用刊名:中小学图书情报世界
创刊时间:1993

高中数学教学课程中代数问题的求解

【作者】 叶孙满

【机构】 福建省宁德市周宁一中

【摘要】
【关键词】
【正文】摘要:某些代数问题,采用代数方法运算繁琐,学生常常感到“烦”或无从下手,文章针对常见的几种代数问题进行求解,希望对读者有所启示。
  关键词:代数问题、联想、几何背景。
  在数学教学中注重“联想”,有助于学生领悟到数学的整体观念和获得解决问题的能力。特别某些代数问题,若能“联想”它的几何“背景”,往往可以使问题轻松获解。
  例1、求函数y=错误!未找到引用源。+错误!未找到引用源。的最小值。
  分析:本题若采用代数方法,则运算较繁琐,若能“联想”它的几何“背景”——两点间距离公式,不难发现,经过配方,可以把函数的右边看成是一个动点到两个定点的距离之和,再据此求函数的最小值。
  解:由y=错误!未找到引用源。+错误!未找到引用源。
         =错误!未找到引用源。+错误!未找到引用源。
  令A(4,2)、B(0,1)、P(x,0),则上述问题便转化为在X轴上求一点P(X,0),使得|PA|+|PB|最小。
  作点A(4,2)关于X轴的对称点A′(4,-2),由图便可直观地得出,|PA|+|PB|的最小值即为|BA′|的长度,由两点间的距离公式可得:
  |BA′|=错误!未找到引用源。=5
  ∴函数y=错误!未找到引用源。+错误!未找到引用源。的最小值为5。
  变式引申:已知0﹤x﹤1,0﹤y﹤1,求证:
  错误!未找到引用源。+错误!未找到引用源。+错误!未找到引用源。+错误!未找到引用源。≥2错误!未找到引用源。
  分析:“联想”不等式左边的几何“背景”——两点间距离公式。
  证明:设P(x,y)、O(0,0)、A(0,1)、B(1,0)、C(1,1)于是不等式左边表示为:
  
  |OP|+|AP|+|BP|+|CP|,其中,P为以1为边长的正方形OBCA内任一点,则:
错误!未找到引用源。++错误!未找到引用源。+错误!未找到引用源。=|OP|+|AP|+|BP|+|CP|≥|AB|+|OC|=2错误!未找到引用源。
  例2、求函数f(θ)错误!未找到引用源。的最大值与最小值。
  分析:f(θ)=错误!未找到引用源。可以看成两点P(错误!未找到引用源。,错误!未找到引用源。),A(2,1)连线的斜率,而A为定点,P是圆错误!未找到引用源。+错误!未找到引用源。=1上的动点。因此,求函数f(θ)的最值问题就“联想”到它的几何“背景”——求直线PA的斜率的最值。
  解:如图f(θ)可看成P(错误!未找到引用源。,错误!未找到引用源。),A(2,1)两点连线的斜率,且P在圆错误!未找到引用源。+错误!未找到引用源。=1上运动,过定点A作圆的两条切线AP1,AP2,则AP1斜率最小,且最小值为0,AP2的斜率最大,下面求AP2的斜率,设AP2的斜率为k,则直线AP2的方程为:y-1=k(x-2)即kx-y-2k+1=0
  AP2与圆错误!未找到引用源。+错误!未找到引用源。=1相切
  ∴圆心到切线的距离d=错误!未找到引用源。=1
  两边平方整理得3k2-4k=0
  ∴k=0或k=错误!未找到引用源。(其中k=0是AP1的斜率)
  ∴kAP2=错误!未找到引用源。
  ∴f(θ)max=错误!未找到引用源。, f(θ)min=0
  例3、已知实数x,y满足   2x+y-2≥0
                             x-2y+4≥0
                             3x-y-3≤0
  问:(1)错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。+错误!未找到引用源。在何时取得最大值和最小值?最大值、最小值各是多少?
   (2)t= 错误!未找到引用源。的情况又怎样?
   (3)u= 错误!未找到引用源。+y的情况又怎样?
    分析:可知x、y的约束条件是线性的。
   (1)因为错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。+错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。+错误!未找到引用源。,所以“联想”它的几何“背景”——两点间距离的平方。故错误!未找到引用源。为可行域内动点(x,y)到原点O(0,0)距离的平方;
    (2)函数u=错误!未找到引用源。+y即为y=-错误!未找到引用源。+u,“联想”它的几何“背景”——抛物线,顶点(O,u)在y轴上移动;
   (3)t=错误!未找到引用源。“联想”它的几何“背景”——两点连线的斜率公式,错误!未找到引用源。 = 错误!未找到引用源。为两点(x,y)与(-1,-1)连线的斜率。
解:画出不等式组  2x+y-2≥0
         x-2y+4≥0
         3x-y-3≤0
表示的平面区域,如图所示为 △ABC包括边界及其内部。

(1)因为错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。+错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。+错误!未找到引用源。,表示的是可行域内的动点M(x,y)到原点距离的平方,可知当点M在边AC上滑动,且OM⊥AC时,错误!未找到引用源。取得取小值,于是错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。2=错误!未找到引用源。;当点M滑到与点B(2,3)重合时,w取得最大值,即:
错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。=13,
故错误!未找到引用源。= 错误!未找到引用源。,错误!未找到引用源。=13
(2)因u=错误!未找到引用源。+y变为y=错误!未找到引用源。+u,令u=0,得y=错误!未找到引用源。,作抛物线y=错误!未找到引用源。,如图所示,由图可知,向上移动抛物线,当抛物线y=错误!未找到引用源。+u与直线2x+y-2=0相切时,u取得最小值;当抛物线经过点B(2,3)时,u取得最大值。
       y=错误!未找到引用源。+u
     2x+y-2=0      得错误!未找到引用源。-2x-(u-2)=0
   ∵抛物线与直线相切,∴   =错误!未找到引用源。+4(u-2)=0u=0.
   即错误!未找到引用源。=1.
   令抛物线y=错误!未找到引用源。+u经过点B(2,3),即
   3=错误!未找到引用源。+uu=7,∴错误!未找到引用源。=7.
   故u=x+y的最大值为7,最小值为1。
   (3)因为t=错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。是可行域内的动点M(x,y)与定点P(-1,-1)连线的斜率,如图所示过定点P的动直线l扫过可行域  ABC时,可以看到直线PA的斜率最小,直线,PC的斜率最大。
   错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。,  错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。=3,
故知t的最大值为3,最小值为。
    例4、不等式错误!未找到引用源。>.ax的解集员(0,4),求a的求值范围。
  分析:令y1=错误!未找到引用源。(0≤x≤4),y2=ax,则y1=错误!未找到引用源。(0≤x≤4)是圆心在(2,0),半径为2的圆在X轴上方的部分,y2=ax是过原点且斜率为a的直线,故不等式就“联想”到它的几何“背景”——直线与圆,问题迎刃而解。
  解:令y1=错误!未找到引用源。(0≤x≤4),y2=ax
  ∴不等式错误!未找到引用源。>ax的几何意义是半圆在条形区域{(x,y)|0<x≤4,0<y≤2}上恒处于直线的上方,如图所示,a<0时,上结论恒成立。
  ∴a的取值范围是(-∞,0)。
  变式引申:已知关于x的不等式错误!未找到引用源。>ax的解区间为(0,2)的子集,求a的取值范围。
  分析:类似例5处理。
  解:设函数y1=错误!未找到引用源。(0≤x≤4),y2=ax,其图象如图所示,要使不等式的解区间为(0,2)的子集,由图易知a≥1。
  解析几何是在坐标系的基础上,用代数的方法研究几何问题的一门数学学科,它把平面上的点与有序实数对之间建立起对应关系,使平面上某些曲线与某些方程之间建立对应关系,使平面图形的某些性质(形状、位置、大小)可以用相应的数、式表示出来,使平面上某些几何问题可以转化为相应的代数问题研究。反之,某些代数问题又可以转化为相应的几何问题研究。
  总之,代数问题若能“联想”它的几何“背景”,利用图形的直观效果,巧妙地求解,使求解的过程异常简捷,从而体现了数形结合,数形统一,形与数达到完美的统一的目的。