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【摘要】 特殊化策略即把原问题构造成特殊问题,通过对特殊问题的解决而获得原问题的解决.特殊化策略在解决选择题、填空题时有重要的应用,同样在解决应用题时也有重要的应用.
【关键词】 应用题;情景特殊化;条件特殊化;目标特殊化
特殊化策略即把原问题构造成特殊问题,通过对特殊问题的解决而获得原问题的解决.特殊化策略是一种“退”的策略,就是从复杂退到简单,从一般退到特殊,从抽象退到具体.特殊化策略在解决选择题、填空题时有重要的应用,同样在解决应用题时也有重要的应用.
1.情景特殊化
例1 某项目要挖一个横断面为半圆的柱形坑,挖出的土只能沿道路MQ,NQ运到Q处(如图1),MQ=200 m,NQ=300 m,∠APB=60°.试说明怎样运土才能最省工?
分析 这是一个最优化问题,其情景是工程挖土,学生对这些概念缺乏理性的认识.把情景特殊化可以帮助学生对题意加深理解,使问题得到解决.这实际上是一个路程问题,在半圆内什么样的点沿MQ到Q近,什么样的点沿NQ到Q近.解决这个问题只要考虑圆内什么样的点沿MQ到Q与沿NQ到Q距离相等这个情景.
解 MN2=QM2 QN2-2QM·QNcos60°=70000.
图 1 由题意可得,半圆中的点有三种:
第一种是沿MQ至Q近;第二种沿NQ至Q近;
第三种是沿MQ,NQ到Q同样近.
第三种是第一第二种的临界状态,设P是临界线上的任一点,
则PM MQ=PN NQ,
所以PM-PN=QN-QM=300-200=100<100 7 ,
所以点P的轨迹是以M,N为焦点的双曲线的一支.以MN所在直线为x轴、MN中垂线为y轴建立平面直角坐标系,则临界线的轨迹方程为 x2 2500 - y2 15000 =1(x≥50).
所以运土时将双曲线左方的土沿MQ运至Q处,右方的土沿NQ运至Q处最省工.
该题原来是一个不等式问题,思考及运算都比较复杂,通过情景特殊化应该说问题简单了,把不等式问题转化为等式问题来研究.
2.条件特殊化
例2 一幢大楼共有n层,现指定一人到第k层去开会,问:当k为何值时,才能使所有开会人员上、下楼梯所走的台阶数之和最小?(假设每层楼梯的台阶数都相同,设为a)
分析 k是自变量,n是参数,学生理解困难,无从下手,我们日常生活中
最常见又和生活最贴近的楼层一般是6层或7层楼,让学生从6层或7层楼开始,
如何解决这个问题,学生会得到6层楼(7层楼)时可能是在3层或4层
开会所走的台阶数之和最小,对这个问题产生了很重要的感性认识,对于n奇偶性不同,会有不同的计算结果.
若n=10,指定一人到第k层去开会,如何研究,把n特殊化,这个问题就解决了,例2也就解决了.
如图若k=4,上、下楼梯所走的台阶数之和y=(1 2 3)a (1 2 3 4 5 6)a,
由此得到当在第k层开会时,y=[1 2 3 … (k-1)]a [1 2 … (10-k)]a,是关于k的二次函数,求当k为何值时y最小.把条件特殊化,使我们找到了解决这个问题的方法.
解:大楼共有n层,在第k层开会,每层楼梯的台阶数为a,上、下楼梯所走的台阶数之和y=[1 2 3 … (k-1)]a [1 2 … (n-k)]a,即y=[ k-1 k 2 n-k 1 n-k 2 ]a,化简得:y= 1 2 a[2k2-2 1 n k n 1 n ],∵a>0,k= 1 n 2 时y最小.因为k是非零自然数,当n为奇数时,k= 1 n 2 时y最小;当n为偶数时,k= 1 n±1 2 时y最小.
条件中含有字母n,k,这正是学生研究问题中的薄弱环节,把条件特殊化(即把n,k特殊化),可以帮助学生对问题的理解,从特殊的目标函数中抽象出一般的函数关系.
3.目标特殊化
例3 A城市的出租车计价方式为:若行程不超过3千米,则按“起步价”10元计价;若行程超过3千米,则之后2千米以内的行程按“里程价”计价,单价为1.5元/千米;若行程超过5千米,则之后的行程按“返程价”计价,单价为2.5元/千米.设某人的出行行程为x千米,现有两种乘车方案:(1)乘坐一辆出租车;(2)每5千米换乘一辆出租车.对不同的出行行程,(1)(2)两种方案中哪种方案的价格较低?请说明理由.
分析 本题的目标是写出两种乘车方案计价的函数关系式,然后比较它们的大小.对于(1)学生不难理解,但要写出(2)的计价函数关系式,因“每5千米换乘一辆出租车”是一个周期问题,要写出含有周期的分段函数式学生在理解和操作上有一定的困难,如何降低难度,我们可以使目标特殊化.先考虑0~10千米内(1)(2)两种方案计价的函数关系式.设方案(1)的计价函数为f(x),方案(2)的计价函数为g(x).则
f(x)= 10,0 g(x)= 10,0 比较f(x)与g(x)的大小就容易得多.观察(2),因其周期为5,当x∈(0, ∞)时,就能自然写出f(x)与g(x).
解:f(x)= 10,05
g(x)= 13k 10,5k 要直接写出方案(2)的计价函数g(x),确实存在困难,把目标特殊化(即写出两个周期x∈ 0,10 内的g(x)),使学生产生从感性到理性的过度.
4.应 用
例4 A,B两城市相距p(km),汽车从A城市匀速驶至B城市,速度不得超过a(km/h),已知车辆每小时行驶成本(单位:元)由固定和可变两部分组成:固定部分为b元.可变部分跟速度v(km/h)的平方成正比,比例系数为c;问:汽车速度v为多大时,才能使得全程运行成本最小?并求运行成本的最小值.
分析 依照题意,汽车从A城市行驶到B城市所需时间为 p v ,学生能得到全程运行成本为
y=p b v cv ,v∈ 0,a ,并通过p( b v cv)≥2p bc ,当且仅当 b v =cv即v= b c 时求得y的最小值为2p bc .显然这种解法是错误的,原因在什么地方?因为v∈ 0,a , b c 是否在区间 0,a 内,这就要研究 b c 与a的大小.为了加强学生对这个问题的认识,可以把a、b、c特殊化,例a=2,b=9,c=1,v= b c =3 0,2 ,加深了学生的影响.如何研究这个问题,给学生提供了一次很好的锻炼机会.
解 由y=p( b v cv),v∈ 0,a ,(1)若 b c ≤a时,p( b v cv)≥2p bc ,v= b c 时求得y的最小值为2p bc ;(2) b c >a时,可以证明y=p( b v cv),v∈ 0,a 为减函数(略),即v=a时求得y的最小值为p b a ca .
总之,用特殊化方法对应用题的研究、对问题的解决能取得很好的作用,它不但能提供解决问题的较好方法,更重要的是能提高学生分析问题和解决问题的能力,在平时的教学中要引起我们足够的重视.
【关键词】 应用题;情景特殊化;条件特殊化;目标特殊化
特殊化策略即把原问题构造成特殊问题,通过对特殊问题的解决而获得原问题的解决.特殊化策略是一种“退”的策略,就是从复杂退到简单,从一般退到特殊,从抽象退到具体.特殊化策略在解决选择题、填空题时有重要的应用,同样在解决应用题时也有重要的应用.
1.情景特殊化
例1 某项目要挖一个横断面为半圆的柱形坑,挖出的土只能沿道路MQ,NQ运到Q处(如图1),MQ=200 m,NQ=300 m,∠APB=60°.试说明怎样运土才能最省工?
分析 这是一个最优化问题,其情景是工程挖土,学生对这些概念缺乏理性的认识.把情景特殊化可以帮助学生对题意加深理解,使问题得到解决.这实际上是一个路程问题,在半圆内什么样的点沿MQ到Q近,什么样的点沿NQ到Q近.解决这个问题只要考虑圆内什么样的点沿MQ到Q与沿NQ到Q距离相等这个情景.
解 MN2=QM2 QN2-2QM·QNcos60°=70000.
图 1 由题意可得,半圆中的点有三种:
第一种是沿MQ至Q近;第二种沿NQ至Q近;
第三种是沿MQ,NQ到Q同样近.
第三种是第一第二种的临界状态,设P是临界线上的任一点,
则PM MQ=PN NQ,
所以PM-PN=QN-QM=300-200=100<100 7 ,
所以点P的轨迹是以M,N为焦点的双曲线的一支.以MN所在直线为x轴、MN中垂线为y轴建立平面直角坐标系,则临界线的轨迹方程为 x2 2500 - y2 15000 =1(x≥50).
所以运土时将双曲线左方的土沿MQ运至Q处,右方的土沿NQ运至Q处最省工.
该题原来是一个不等式问题,思考及运算都比较复杂,通过情景特殊化应该说问题简单了,把不等式问题转化为等式问题来研究.
2.条件特殊化
例2 一幢大楼共有n层,现指定一人到第k层去开会,问:当k为何值时,才能使所有开会人员上、下楼梯所走的台阶数之和最小?(假设每层楼梯的台阶数都相同,设为a)
分析 k是自变量,n是参数,学生理解困难,无从下手,我们日常生活中
最常见又和生活最贴近的楼层一般是6层或7层楼,让学生从6层或7层楼开始,
如何解决这个问题,学生会得到6层楼(7层楼)时可能是在3层或4层
开会所走的台阶数之和最小,对这个问题产生了很重要的感性认识,对于n奇偶性不同,会有不同的计算结果.
若n=10,指定一人到第k层去开会,如何研究,把n特殊化,这个问题就解决了,例2也就解决了.
如图若k=4,上、下楼梯所走的台阶数之和y=(1 2 3)a (1 2 3 4 5 6)a,
由此得到当在第k层开会时,y=[1 2 3 … (k-1)]a [1 2 … (10-k)]a,是关于k的二次函数,求当k为何值时y最小.把条件特殊化,使我们找到了解决这个问题的方法.
解:大楼共有n层,在第k层开会,每层楼梯的台阶数为a,上、下楼梯所走的台阶数之和y=[1 2 3 … (k-1)]a [1 2 … (n-k)]a,即y=[ k-1 k 2 n-k 1 n-k 2 ]a,化简得:y= 1 2 a[2k2-2 1 n k n 1 n ],∵a>0,k= 1 n 2 时y最小.因为k是非零自然数,当n为奇数时,k= 1 n 2 时y最小;当n为偶数时,k= 1 n±1 2 时y最小.
条件中含有字母n,k,这正是学生研究问题中的薄弱环节,把条件特殊化(即把n,k特殊化),可以帮助学生对问题的理解,从特殊的目标函数中抽象出一般的函数关系.
3.目标特殊化
例3 A城市的出租车计价方式为:若行程不超过3千米,则按“起步价”10元计价;若行程超过3千米,则之后2千米以内的行程按“里程价”计价,单价为1.5元/千米;若行程超过5千米,则之后的行程按“返程价”计价,单价为2.5元/千米.设某人的出行行程为x千米,现有两种乘车方案:(1)乘坐一辆出租车;(2)每5千米换乘一辆出租车.对不同的出行行程,(1)(2)两种方案中哪种方案的价格较低?请说明理由.
分析 本题的目标是写出两种乘车方案计价的函数关系式,然后比较它们的大小.对于(1)学生不难理解,但要写出(2)的计价函数关系式,因“每5千米换乘一辆出租车”是一个周期问题,要写出含有周期的分段函数式学生在理解和操作上有一定的困难,如何降低难度,我们可以使目标特殊化.先考虑0~10千米内(1)(2)两种方案计价的函数关系式.设方案(1)的计价函数为f(x),方案(2)的计价函数为g(x).则
f(x)= 10,0
解:f(x)= 10,0
g(x)= 13k 10,5k
4.应 用
例4 A,B两城市相距p(km),汽车从A城市匀速驶至B城市,速度不得超过a(km/h),已知车辆每小时行驶成本(单位:元)由固定和可变两部分组成:固定部分为b元.可变部分跟速度v(km/h)的平方成正比,比例系数为c;问:汽车速度v为多大时,才能使得全程运行成本最小?并求运行成本的最小值.
分析 依照题意,汽车从A城市行驶到B城市所需时间为 p v ,学生能得到全程运行成本为
y=p b v cv ,v∈ 0,a ,并通过p( b v cv)≥2p bc ,当且仅当 b v =cv即v= b c 时求得y的最小值为2p bc .显然这种解法是错误的,原因在什么地方?因为v∈ 0,a , b c 是否在区间 0,a 内,这就要研究 b c 与a的大小.为了加强学生对这个问题的认识,可以把a、b、c特殊化,例a=2,b=9,c=1,v= b c =3 0,2 ,加深了学生的影响.如何研究这个问题,给学生提供了一次很好的锻炼机会.
解 由y=p( b v cv),v∈ 0,a ,(1)若 b c ≤a时,p( b v cv)≥2p bc ,v= b c 时求得y的最小值为2p bc ;(2) b c >a时,可以证明y=p( b v cv),v∈ 0,a 为减函数(略),即v=a时求得y的最小值为p b a ca .
总之,用特殊化方法对应用题的研究、对问题的解决能取得很好的作用,它不但能提供解决问题的较好方法,更重要的是能提高学生分析问题和解决问题的能力,在平时的教学中要引起我们足够的重视.