例谈数形结合的思想方法在解题中的运用

来源 :中国教育创新与实践 | 被引量 : 0次 | 上传用户:luo_yanjiang1980
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  数学思想是数学的灵魂,数学思想方法是解决数学问题的思维策略和钥匙。数学思想方法蕴含于数学知识之中,又相对超脱于某一个具体的数学知识之外。数学思想方法的教学比单纯的数学知识教学困难得多。因为数学思想方法是具体数学知识的本质和内在联系的反映,具有一定的抽象性和概括性,它强调的是一种意识和观念。常用的数学思想方法主要有转化与化归的思想方法、数形结合的思想方法、分类讨论的思想方法、函数与方程的思想方法和建模的思想方法等。其中,数形结合的思想方法运用尤为广泛。这是因为数学是研究现实世界空间形式和数量关系的科学,故研究总是围绕着数与形进行的。“数”就是代数式、函数、不等式等表达式,“形”就是图形、图象、曲线等。数形结合就是抓住数与形之间本质上的联系,以形直观地表达数,以数精确地研究形。“数无形时不直观,形无数时难入微。”数形结合是研究数学问题的重要思想方法,它能有效地将形象思维过渡到抽象思维。下面,略举数例,谈谈数形结合的思想方法在几何解题中的运用。
  一、挖掘内在联系,找准结合点
  运用数形结合的思想方法,关键在于立足题例,悉心观察,深入思考,严谨分析,反复推敲,准确找到“数”与“形”的最佳结合点。在运用数形结合思想方法的过程中,常用的结合点甚多。其中,笔者有感于如下两点。
  1.在数形结合中利用曲线的定义
  在圆锥曲线中,圆、椭圆、抛物线、双曲线的定义揭示了动点在运动中与定点(定直线)所保持的特定关系。这种特定关系正是“数”与“形”的最佳结合点之一。在解题中,须善用之。
  例如,已知A( ,0),B是圆F:
  上的一动点,线段AB的垂直平分线交BF于P。求动点P的轨迹方程。
  分析(图略):由线段AB的垂直平分线易想到连接A、P,势必有PA=PB,于是PA+PF=FB,而FB是圆F的半径(定值),
  且圆心F( ,0)与点A( ,0)均为定点。这些,正好
  符合椭圆的定义。由A点、F点的坐标可知,动点P的轨迹是中心在原点,焦点在x轴上的椭圆。故可用定义法解之,一举奏效。此题,若设动点P的坐标,按常法——“轨迹法”解之,则既难且繁,然而,解题者却极易步入此道。因此,我们务必加强数形结合的思想意识。2.在数形结合中利用曲线与方程的关系
  曲线与方程的关系是“数”与“形”的结合点之一。其通常用法是:曲线上的点的坐标必然适合于曲线的方程。若点的坐标含有未知数,则把点的坐标代入曲线方程,旨在利用曲线与方程的关系建立新的方程,解决问题。这较之利用其它等量关系建立方程更为简捷。
  例如,如图,已知P(3a,a)是反比例函数 (k>0)
  与⊙o的一个交点,图中阴影部分的面积为10∏,求该反比例函数式。
  分析:图中阴影部分的面积正好是⊙o面积的 ,所以⊙o面积为40∏。因为点P(3a,a)既在双曲线上又在圆上,其坐标必然分别适合于它们的方程,故可建立新的方程(组),以求k之值。
  简述:∵点P(3a,a)在反比例函数 (k>0)
  的图象上,∴ ,∴ ,∵40∏=∏ ,
  ∴ =40,∴⊙o的方程为 ,
  ∵点P(3a,a)在⊙o上,∴ ,∴ ,
  ∴ 故该反比例函数式为
  二、摆脱思维定势,力避局限性
  值得注意的是,数形结合的思想方法在运用中,有其局限性,不可泛用和滥用,有时则须摆脱其思维定势的影响,另辟新径。否则,极易步入歧途,自找麻烦,甚至无功而返。例如,下面的一道组合式几何题,第一小题,用数形结合的思想方法,不难解之,但第二小题若用数形结合的思想方法,则障碍重重,特别是第二问,更是多方设形,难以奏效。但如若采用三角函数与不等式的计算方法,则既易且简,水到渠成。其为——
  已知菱形ABCD的边长为6,且∠B=60°,现有两动点P、Q均以1单位∕s的速度分别从D、C同时出发,点P沿射线DC运动,点Q沿折线C→B→A运动,当Q到达A点时运动停止,设运动时间为t
  (1)当Q在边CB上时(不与B、C重合),试判断△APQ的形状。
  分析(图略):要判断△APQ的形狀,则须考察其三边是否彼此相等。一般是利用三角形全等的性质解决问题。于是,连接A、C,考察△ABQ与△ACP是否全等,继而进一步探索,△APQ是否是等边三角形。
  简述:连接A、C,由菱形得性质易知∠BCA=∠PCA=60°,∴可知△ABC是等边三角形,∴AB=AC,∠B=∠PCA,又易知BQ=CP,∴△ABQ≌△ACP,∴AQ=AP,∠BAQ=∠CAP,又易知∠BAC=60°,∴∠PAQ=60°,故△APQ是等边三角形。
  (2)当点Q在BC边上时(不与B、C重合),求△CPQ周长的最小值及△CPQ面积的最大值。
  ①求△CPQ周长的最小值
  分析(图略):由于易知QC+CP=6(定值),所以PQ最小时,其周长的值最小。如果从“形”入手,则估计这时P、Q分别为DC、CB的中点,记为M、N,于是作△AQP与△ANM,由于△AQP形成的瞬时性,则只须证明PQ>MN即可。由前面(1)中的结论知,△AQP与△ANM均为等边三角形,∴PQ=AP,AM=MN,∵易知△ACD是等边三角形,∴可知AM⊥CD,∴AP>AM,故PQ>MN,然后再计算之。这里,图形从略。但此法实乃不易。由于∠C=120°,故应摆脱数形结合思维定势的影响,用余弦定理解之,则事半而功倍。
  简述:设CP=a,QC=b,易知a+b=6(定值),由余弦定理可得:
  , 又∵a+b=6(定值),且a>0, b>0, ∴由一个重要不等式知,当a=b时,ab最大,这时,PQ最小,△CPQ的周长也最小。由a=b=3得 ,∴ ,故△CPQ周长的最小值为 。
  ②求△CPQ面积的最大值
  分析:只要不拘泥于从“形”入手,试图比较图形面积的
  大小,则易想到直接利用三角形的面积公式S= absinC进行
  计算了。至此,势必豁然开朗,茅塞顿开。
  简述:设CP=a,QC=b,易知a+b=6(定值),则S△CPQ=
  ,又∵a+b=6(定值),且a>0,b>0,
  ∴由一个重要不等式知,当a=b时,ab最大,这时,△CPQ
  的面积也最大。由a=b=3计算得△CPQ面积的最大值为 。
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