趣谈数学中的转化思想

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  三十六计中有一个相当精彩的智谋——围魏救赵.其精妙之处在于避实就虚,一招制胜.在研究和解决数学问题的过程中,当我们遇到较难或者复杂的问题时,迎头直上往往绞尽脑汁也不得其解,如果避实就虚,转化成一个我们熟悉或者在我们能力范围之内的问题进行解决,就会化难为易,问题迎刃而解.
  转化思想是一种最基本的数学思想.在解决数学问题时,我们一般会将未知问题转化为已知的问题,把复杂的问题转化为简明的问题,把抽象难懂的问题转化为具体形象的问题,将生活中的问题转化为数学中的问题等.可以说转化思想就好比一把神兵利器,对付难解的问题,总能所向披靡.下面我们一起来领略一下转化的魅力吧.
  一、未知化已知
  例1 求1 3 32 33 … 38的值.
  【分析】直接计算,太麻烦!仔细观察,不难发现,从第二个加数起每一个加数都是前一个加数的3倍,不妨设:
  S=1 3 32 33 … 38,①
  然后在①式的两边都乘3,得:
  3S=3 32 33 34 … 38 39,②
  ②-①得:3S-S=39-1,即2S=39-1,
  所以S=[39-12].
  【点评】这一题的精妙之处在于,抓住式子的结构特征,通过变换将一道算式的求和问题转化成两个等式“错位相减”的问题,求解方程,化未知为已知,进而轻松解决.如果把“3”换成字母m(m≠0且m≠1),能否求出1 m m2 m3 m4 … m2016的值,试试看?
  正确答案是:[m2017-1m-1].
  所谓化未知为已知,就是把生疏的问题转化为熟悉的问题,把新问题转化为旧问题.比如:我们解二元一次方程组的基本思路是消元,故把二元一次方程组化为一元一次方程来解决;解分式方程需要先去分母,转化为整式方程来解决等.
  二、数与形的转化
  (一)化形为数.
  例2 如图1,平面直角坐标系中,直线y=x 2与x轴交于点A,与y轴交于点D,B为AO的中点,DC⊥DB交x轴于点C,E在y轴上,且OE=OC,经过B、E、C三点的抛物线与直线AD交于F、G两点,直线AD与其对称轴交于M点.
  (1)求经过B、E、C三点的抛物线的表达式.
  (2)N是抛物线上一动点,在抛物线的对称轴上是否存在点H,使以C,D,N,H为顶点的四边形为平行四边形.若存在,求出满足条件的点H的坐标;若不存在,请说明理由.
  【分析】(1)由y=x 2可求出点A(-2,0)、D(0,2)、点B(-1,0),由△ODB∽△OCD,可得C(4,0),所以E(0,4),然后利用待定系数法就可以直接求出抛物线的表达式.
  (2)D、C为两定点,N、H为两动点,由平行四边形对角线互相平分,易得对角线的交点即为每条对角线的中点.按CD为边和对角线两种情况分类讨论.
  解:(1)在y=x 2中,分别令x=0,y=0,于是得到A(-2,0)、D(0,2),由B是AO的中点,得B(-1,0),由△ODB∽△OCD,得OD2=OB?OC,得OC=4,C(4,0),由OE=OC,得E(0,4).
  设函数解析式为y=a(x 1)(x-4),将E(0,4)代入得a=-1,所以y=-x2 3x 4.
  (2)∵抛物线的对称轴为x=[-1 42]=1.5,设H(1.5,h),由于点N在抛物线上,设N(n,-n2 3n 4).
  ①当CD为边时:HC、DN为对角线,
  [4 1.5=0 n,0 h=-n2 3n 4 2,] 解得h=[-314];
  HD、CN为对角线,
  [0 1.5=4 n,2 h=-n2 3n 4 0,] 解得h=[-474].
  ②当CD为对角线时,
  [0 4=1.5 n,0 2=-n2 3n 4 h,]h=[-134].
  综上所述,共有3个点H满足条件,即([32],[-134])或([32],[-314])或([32],[-474]).
  【点评】运用代数方法解决几何问题,往往是把几何元素代数化,比如平面直角坐标系中,把点转化为坐标的形式.几何关系数量化,解题思路更加清晰简单,往往能化繁为简,事半功倍.
  (二)化数为形.
  例3 计算[34] [316] [364] … [34096].
  【分析】多个异分母分数相加,直接计算非常麻烦.如果借助图形,这道算式可以理解为一个面积为1的大正方形中,如图2的[34]、[316]、[364]…[34096]的和,那么通过观察,可以发现,这些面积之和等于大正方形的面积1减去[14096],
  原式=1-[14096]=[40954096].
  【点评】很多代数问题,借助图形能够帮助我们更直观形象地抓住本质,找到解决问题的路径.我国著名数学家华罗庚曾说过:“数缺形时少直观,形少数时难入微.”在平时的数学学习和研究中如果能够灵活地在数与形之间进行转化,往往能帮助我们另辟蹊径,达到“柳暗花明又一村”的效果.
  三、空间向平面的转化
  例4 如图3,一只蚂蚁要从正方体的一个顶点A沿表面爬行到顶点C,怎样爬行路线最短?
  【分析】根据线段的性质,两点之间线段最短,我们把正方体展开,直接连接A、C两点可得最短路线.如果看爬行路径,有三种情況:若蚂蚁爬行时经过面AD,可将这个正方体展开,在展开图上连接AC,与棱a(或b)交于点D1(或D2),蚂蚁沿线段AD1→D1C(或AD2→D2C)爬行,路线最短;类似地,蚂蚁经过面AB和AE爬行到顶点C,也分别有两条最短路线,因此,蚂蚁爬行的最短路线有6条.
  【点评】在研究和解决立体图形的问题时,需要较强的观察和抽象思维能力,难度较大.然而相对平面图形来说,我们有较多的数学学习活动经验,往往会把立体图形转化成平面图形来解决.比如计算圆锥的侧面积时要转化成求侧面展开图扇形的面积,这样,化立体为平面,大大降低了计算的难度.
  (作者单位:江苏省丰县初级中学)
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