特殊化思想在数学解答题中的运用

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  一个问题可能在整体上模糊到难以认识与鉴别,但在特殊情况下有时却十分清楚明白.既然如此,我们解题时,何不以退为进,由一般退到特殊呢?这种由一般退到特殊的解题思想,就是特殊化思想.用特殊化思想解客观题是特别有效的,而且特殊化还是解答某些解答题的绿色通道,比如,在数列中我们熟悉的归纳、猜想、证明,就是特殊到一般的例子.还是先让我们看一道例题题:
  例1 已知椭圆C:+=1(a>b>0)的左右焦点分别是F1(-c,0),F2(c,0),直线l:x=my+c与椭圆C交于两点M,N且当m=-时,M是椭圆C的上顶点,且△MF1F2的周长为6.
  (1)求椭圆C的方程;
  (2)设椭圆C的左顶点为A,直线AM,AN与直线x=4分别相交于点P,Q,问当m变化时,以线段PQ为直径的圆被x轴截得的弦长是否为定值?若是,求出这个定值,若不是,说明理由.
  解析 (1)当m=-时,直线的倾斜角为120°,所以2a+2c=6,=cos60°,解得a=2,c=1b=, 所以椭圆方程是+=1.
  (2)当m=0时,直线l的方程为x=1,此时,M,N点的坐标分别是(1,),(1,-),又A点坐标是(-2,0),此时由图可知MN是?荭APQ的中位线,因此P,Q两点坐标分别是(4,3),(4,-3), 以PQ为直径的圆(x-4)2+y2=9过右焦点(1,0).由于圆(x-4)2+y2=9与x轴交于(1,0)和(7,0),所以圆被x轴截得的弦长为6.
  猜测当变化时,以PQ为直径的圆恒过焦点F2,被x轴截得的弦长为定值6,证明如下:
  设点M,N点的坐标分别是(x1,y1),(x2,y2),则直线AM的方程是=,所以点P的坐标是(4,),同理,点Q的坐标是(4,),
  由方程组 +=1,x=my+1,得到3(my+1)2+4y2=12(3m2+4)y2+6my-9=0,所以y1+y2=,y1y2=,
  从而•=(4-1)(4-1)+=9
  +=9+=9+=0.
  所以以PQ为直径的圆一定过右焦点F2,又点F2到直径PQ的距离为3,由圆的性质知以PQ为直径的圆被x轴截得的弦长为定值6.
  说明 在(2)的解答中是通过特殊探路,然后由此展开,证明满足条件的圆的弦长也是定值6.也可以直接探求,但方向不明.其实,在问题无路可走的情况下,特殊化不失为一条明智的选择.在强调特殊与一般的思想方法的今天,对此进行有益的探讨,是非常值得肯定的.对于解答题,特殊化还是大有用武之地的.让我们再看几例.
  1. 特殊化直接求解或证明.
  几乎所有的主观题都存在一些特殊因素,在解题中你一旦发现了这些因素,要紧紧抓住不放,因为它可能为你提供最佳的解题途径.
  例2 已知二次函数f(x)=x2+ax+b(a,b∈R)的定义域为[-1,1],且|f(x)|的最大值为M.
  (1)证明:|1+b|≤M;(2)证明:M≥;(3)当M=时,试求出f(x)的解析式.
  解析(1)证明:|f(x)|的最大值为M,即|f(x)|≤M,又x∈[-1,1],令x=-1,x=1,得|1-a+b|≤M,|1+a+b|≤M-M≤1-a+b≤M,-M≤1+a+b≤M-M≤1+b≤M|1+b|≤M.
  (2)令x=0,得|b|≤M,结合|1+b|≤M,得2M≥1+b+b≥1-|b|+|b|=1,∴M≥.
  (3)在|f(x)|≤M中,令x=0,则|b|≤M,再令M=,得|b|≤-≤b≤…①
  在|1+b|≤M中,令M=,得-≤1+b≤-≤b≤-…②
  又①②知b=-.
  在|1-a+b|≤M中,令M=,并把b=-代入,得-≤1-a-≤0≤a≤1…③
  在|1+a+b|≤M中,令M=,并把b=-代入,得-≤1+a-≤-1≤a≤0…④
  由③④得a=0,∴f(x)=x2-.
  点评 本题是用特殊值证明和求解是一个典型例子,“夹逼法”在其中起到了非常重要的作用.
  例3 设函数f(x)定义于闭区间[0,1],满足f(0)=0,
  f(1)=1,且对任意x,y∈[0,1],x≤y,都有f()=(1-a2)
  f(x)+a2f(y),其中常数a满足0  解析 因为f()=f()=a2,f()=f()=a2f()=a4,f()=f()=(1-a2)f()+a2f(1)=2a2-a4,
  所以f()=f()=(1-a2)f()a2f()=-2a6+3a4, 由此得a2=-2a6+3a4,而0  点评 通过求得特殊值,再建立方程是本题解答的关键,其中的特殊化取了非常重要的作用.
  2. 特殊化猜测问题的结果,再给出一般性的证明或解答.
  在数列问题中,归纳、猜想、再用数学归纳法证明,就是我们熟悉的一个方法,我们也可以把这个方法迁移到数学的其它章节,比如在一些在立体几何问题中先考察图形的特殊位置,再考虑一般情形等等,特别是当你难于理解题意时,可以用特殊化方法探明目标,寻找破题的途径.
  例4能否将n个正方形剪拼成一个大的正方形?
  分析 这里要解决的是个数为n的一般性问题,结论尚属未知.
  先考察一个最简单的特殊情形——将两个边长相等的正方形S1与S2剪拼成一个正方形S12,可按下左图所示的方法剪拼而成.
  这种特殊情况是将一般情况经两次特殊化(正方形个数特殊化、边长特殊化)而得到的. 在这种特殊情况下剪拼方法一目了然. 为了将其推向一般,我们也分两步走.
  第一步,考虑两个大小不同的正方形的情况.
  第二步,考虑n个任意正方形的情况.
  为将上述剪拼法推向两个大小不同的正方形,我们来对它作一定量的分析.要剪拼出新正方形S12,只需计算出其边长以及确定裁剪的路线. 由下右图,S12的一边x与S1的一边a和S2的一边b恰好组成一个直角三角形,x为斜边,a,b为两直角边.据此我们猜想:对两个边长分别为a,b的正方形S1,S2来说,比照上述做法,以a,b为两直角边作直角三角形,再以其斜边为边长和裁剪路线,也能剪拼出一个新的正方形S12来.
  实际验证说明上述猜想是正确的(如下图).
  如果给定三个正方形S1,S2,S3,那么我们可用上述方法先将S1,S2剪拼成一个正方形S12,再将S12与S3剪拼成一个正方形S123.
  由归纳法我们得出关于一般性问题的猜想:任意n个正方形都可以剪拼成一个正方形.
  由类比法我们还可得出关于证法的猜想:设给定n个正方形S1,S2,…,Sn,先将S1与S2按上述方法剪拼成一个正方形S12;再将S12与S3剪拼成一个正方形S123;…,最后将S12…(n-1)与Sn剪拼成一个正方形S12…n.
  我们发现,上述做法有递推关系,故我们不必一个一个地去验证,可使用数学归纳法,做一次验证就可以了.
  证明:(数学归纳法)
  当n=2时,按上右图所示的方法,可将任意两个给定的正方形剪拼成一个正方形.
  假设k(k≥2)个正方形能剪拼成一个正形,那么,对给定的k+1个正方形,我们可先将前k个剪拼成一个正方形S12…k,再将S12…k与剪拼成一个正方形S12…k(k+1).
  ∴能将n个正方形剪拼成一个大的正方形.
  例5 已知线段AB是半径为r(r>0)的圆O的弦,且AB=2,试探究•是否为定值(与r的大小无关)?若为定值,请求出;若不为定值,请说明理由.
  解析 可先从特殊情形下手,当弦AB为直径时,有•=2;当△AOB为正三角形时,有•=2,故猜想•为定值2,证明如下:
  如图,过点O作OH⊥AB交AB于点H,则•=cos∠OAB=(•cos∠OAB)×===2.
  点评 运动定常问题通常可先从特殊值或特殊位置入手,进而讨论一般情形,注意向量的投影在圆中的运用,应当知道•的大小仅取决于弦AB的大小.需要强调的是,特殊化常常是和一般化联系在一起的.特殊探路,一般化解决.
  例6 如图,已知圆M为Rt△ABC的外接圆,
  A(-2,0),B(0,-2),点C在x轴上,点P为线段OA的中点,若DE是圆M中绕圆心M运动的一条直径,试探究•是否为定值?若为定值,请求出;若不为定值,请说明理由.
  解析 设点C的坐标为(x,0),
  Rt△ABC中,AB⊥BC,故kAB•kBC=-1,
  即有×=-1,求得x=4,
  在圆M中,易得M(1,0),又点P为线段OA的中点,故P(-1,0).探究•是否为定值,可先从特殊位置入手,当DE与AC重合时,•=•=1×5×cos180°=-5;当DE与AC垂直时,有D(1,3),E(1,-3),故=(2,3),=(2,-3),此时•=22-32=-5,故猜想•为定值-5,证明如下:
  法1(坐标法)
  思路1 (设而不求)设D(x1,y1),E(x2,y2),当直线DE的斜率存在时,不妨设其为k,则直线DE的方程为y=k(x-1)①,又圆M的方程为(x-1)2+y2=9②,由①②联立方程组消去y得:x2-2x+=0,利用根与系数的关系有:x1+x2=2,x1x2=,所以y1y2=k2(x1-1)(x2-1)=k2•[x1x2-(x1+x2)+1]=-,而=(x1+1,y1),=(x2+1,y2),则•=(x1+1)(x2+1)+y1y2=3-=-5,特别地,当直线DE的斜率不存在时,•=-5,故总有•=-5.
  思路2
  (整体思想) 设D(x,y),则E(2-x,y),此时=(x+1,y),=(3-x,y),故•=(x+1)(3-x)-y2=4-[(x-1)2+y2]=4-9=-5.
  法2(定义法)
  思路3 (化归思想)
  •=(+)•+)=+•(+)+•=4+0-9=-5.
  思路4 (利用向量的投影)如图,延长EP交圆M于点Q,连结DQ,则• =||||cos∠DPE=-(||×cos∠DPA)×||= -||||=||||=-5.
  点评 思路1是多数考生在解该题时所想到的一种思路,但有一定的运算量,特别是直线DE的斜率是否存在的讨论容易被忽略;思路2利用圆的对称性在思路1的基础上优化了设法,进而利用整体思想巧妙求解;思路3由于、的长度、夹角均在变化,直接用定义求解不方便,故利用圆的性质将其转化成有长度、有夹角的向量后再求解,这体现了化归的思想;思路4揭示了本题中运动定常的内在原因.
  这些事例说明:解一些主观题可以从特殊化上路,但最后必须给予普遍意义上的解答或证明.而在这个证明过程中,又需随时注意摆脱特殊化的影响.
  3.特殊化可以帮助我们验证结果是否正确.
  特殊化还有一个功能,就是帮助我们检验解题的结果是否正确.
  例7 设定义在R上的单调函数f(x)是奇函数.若
  f(klog2t)+f(log2t-log22 t-2)>0对一切t∈R+成立,求实数k的范围.
  分析f(x)是R上的单调奇函数,则必f(0)=0且f(x)+f(-x)=0.
  解析 由条件得:f(klog2t)>-f(log2t-log22 t-2)=f(log22 t
  -log2t+2),即有:f(klog2t)>f(log22 t-log2t+2).(*)
  由已知 t>0,在(*)中令t=1,得f(0)>f(2).知f(x)为关于t∈R+上的减函数.故有:klog2t<log22 t-log2t+2,即有:log22 t-(k+1)log2t+2>0.(**)
  再解: 关于log2t的不等式对一切log2t∈R都成立.必△< 0.也就是(k+1)2-8<0k∈(-2-1,2-1).
  点评 这个答案是否正确?我们不妨用特值对(**)式进行检验.
  设M=(-2-1,2-1),令f(t)=log22 t-(k+1)log2t+2,
  取0∈M,即 k=0,则f(t)=log22 t-log2t+2,显然t∈R+,从而log2t∈R时,f(t)>0恒成立.而f(x)是R上的奇且减函数,∴(*)式也成立.
  取2?埸M,即k=2,则f(t)=log22 t-3log2t+2,至少t=2时,f(t)=1-3+2=0,即f(t)>0不成立.由此可放心作出终审后的答案:原题中实数K的取值范围为k∈(-2-1,2-1).
  例8 已知函数f(x)=log2(x2+ax-a)的值域为R,求实a的取值范围.
  解析 因为值域为R,所以x2+ax-a必须能取到一切正数,故有?荭=a2-4(-a)<0-4  对吗?只需取特殊值就可以判断,取a=-2时,则x2+ax-a≥1,f(x)≥0,此时f(x)的值域不是R.所以答案有误.其实,应该是?荭=a2-4(-a)≥0a≤-4或a≥0.
  当?荭≥0时, f(x)值域才能保证取到一切实数.但有考生会说,?荭≥0不是使x2+ax-a 取到非正数吗?没有意义啊!其实,取到非正数的x我们不要,这可以由x的范围来限制.例如,取a=-4,则f(x) = log2 (x-2)2,定义域x≠2就可保证f(x)值域为R了!如果这样仍不能理解,我们还可以用方程的观点来解:
  原函数的值域为R,就是指关于x的方程f(x)=log2(x2+ax-a)=y对任意实数y都有实数解.
  x2+ax-a=2y恒有实数解?圳?荭≥a2+4(a+2y)≥0对y∈R恒成立?圳a2+4a≥-4•2y对一切y∈R恒成立.
  又-4•2y<0,∴a2+4a≥0a≤-4或a≥0.
  故a的取值范围是(-∞,-4]∪[0,+∞).
  在高考解答题中,体现特殊化思想的试题包括: (1)由具体数据建模函数关系式;(2)由已知几项求通项公式,或前n项和公式;(3)由动点性质求轨迹方程;(4)由几个等式或不等式得到一般结论,还有如上面的一些的问题,等等.
  练习题:
  1. 求证:直线(2m+1)x+(m+1)y=7m+4(m∈R)恒过某一定点P,并求该定点的坐标.
  2. 已知函数f(x)=ax2+bsinx+ccosx+d(a,b,c,d为常数),对任意∈R恒有f(sin2-4sin-1)≥0且f(5-cos)≤0.试证,函数f(x)的图像恒过定点.
  3. 求证:Con+C1n+C2n+...+Cnn=2n(n∈N+).
  4. 试探究:一个周长为2l的封闭曲线一定可以被一个直径为l的圆盖住吗?
  练习题参考答案:
  1. 证明: 直线(2m+1)x+(m+1)y=7m+4,取2m+1=0m=-.
  此时直线方程为y=7×(- )+4y=1……①
  取m+1=0m=-1,此时x=3……②
  由①②得点P(3,1).
  将点P(3,1)代入直线方程得(2m+1)x+(m+1)y=(2m+1)×3+(m+1)=7m+4,即方程对任意m∈R 恒成立.故直线(2m+1)x+(m+1)y=7m+4恒过定点P(3,1).
  2. 证明: 注意到sin2-4sin-1=(sin-2)2-5,其中-1≤sin≤1,∴-4≤sin2-4sin-1≤4,∴f(4)≥0.
  又注意到4≤5-cos≤6,∴f(4)≤0.因而f(4)=0,所以函数f(x)的图像恒过定点(4,0).
  3. 证明: ∵(a+b)n=Conan+C1nan-1b+C2nan-2b2+…+Cn-1nabn-1
  +Conbn,
  令a=b=1,则有2n=Con+C1n+C2n+…+Cn-1n+Cnn,∴Con+C1n+C2n+…+Cn-1n+Cnn=2n(n∈N+).
  4. 分析:着手探究一时看不到头绪,我们不妨先从特殊的情形入手.比如,分析周长为2l的平行四边形的情形. 设ABCD是周长为2l的平行四边形(如下图左),由于OD=BD≤(BC+CD)=. 同理:OC≤.
  显然,这个平行四边形能被以O点为圆心,直径为l的圆盖住.
  对于周长为2l的任意形状的封闭曲线(如上图右),设A,C两点恰好把这封闭曲线平分为长为l的两段,O是线段AC的中点,P是该曲线上任意一点,连接PO,PA,PC,则有:
  PO≤(AP+CP)≤(曲线AP的长+曲线CP的长)=曲线AC的长=l,
  所以P在一个以O为圆心,直径是l的圆内.
  因为P是该曲线上的任一点,所以该封闭曲线一定可以被一个直径为l的圆盖住.
  (作者单位:福建省永定县城关中学)
  责任编校徐国坚
  
  
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