如何用分类讨论的思想来解题

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  我们在解决数学问题过程中,经常会遇到不能用一种标准、同一种运算、或同一个类型、或同一个定理、或同一种方法去解决的问题,因而会出现多种情况,需要分成若干个局部的问题去解决,这就是分类讨论的思想.分类讨论是一种逻辑方法,也是一种数学思想,其实质是“化整为零,各个击破,再积零为整”的数学策略.
  从某种意义上讲,分类讨论是不得已而为之的事情,通过协调、缓和“矛盾”,达到运用知识合理解决问题的思想方法.那如何进行分类讨论呢?分类讨论必须要遵循一定的原则,才能使分类科学、严谨,从而正确、合理地解题,分类讨论原则有同一性原则、互斥性原则、层次性原则.
  同一性、互斥性、层次性是分类讨论的三原则解题中,分类讨论一般分为四步:第一,确定讨论的对象以及讨论对象的取值范围;第二,正确选择分类标准,合理分类;第三,逐类、逐段分类讨论;第四,归纳并做出结论.
  分类讨论的大致原因:(1)由数学概念而引起的分类讨论;(2)由数学运算要求而引起的分类讨论;(3)由定理、公式的限制而引起的分类讨论;(4)由图形的不确定性而引起的分类讨论;(5)由参数的变化而引起的分类讨论.
  ◆考向1 由概念引起的分类讨论
  由概念引发的分类讨论有很多,常见类型有:绝对值:|a|的定义分a>0、a=0、a<0三种情况;直线的斜率:倾斜角θ≠90°,斜率k存在,倾斜角θ=90°,斜率k不存在;对数、指数函数:y=loga x与y=ax,可分为a>1、0  例1 已知函数f(x)=logm+2[mx2+(m+2)x+m+2]存在最值,试求实数m的取值范围.
  思路点拨:由于函数f(x)是由函数y=logm+2g(x)和函数g(x)=mx2+(m+2)x+m+2复合而成的,所以应对底数m+2的取值以及g(x)的最值情况分别进行讨论.
  解答:(1)当m+2>1即m>-1时,函数y=log(m+2)x是增函数,因此:
  ①要使函数f(x)有最大值,需满足
  m+2>1,m<0,Δ=(m+2)2-4m(m+2)>0,
  解得m>-1,m<0,-2  即-1  ②要使函数f(x)有最小值,
  
  需满足m+2>1,m>0,Δ=(m+2)2-4m(m+2)<0,
  解得m>-1,m>0,m>23或m<-2,
  即m>23;
  (2)当0  ①要使函数f(x)有最大值,需满足
  00,Δ=(m+2)2-4m(m+2)<0,
  解得-20,m>23或m<-2,
  因此m无解;
  ②要使函数f(x)有最小值,需满足
  00,
  解得-2  即-2  综上所述,要使函数f(x)有最值,实数m的取值范围是-223.
  ◆考向2 由运算引起的分类讨论
  分类讨论的许多问题有些是由运算的需要引发的,比如除法运算中分母能否为零的讨论;解方程及不等式两边同除以一个数是否为零,是正数,还是负数的讨论;二次方程运算中对两根号大小的讨论;求函数单调性时,导数正负的讨论;排序问题,差值比较中的差的正负的讨论;有有关去绝对值或根号问题中等价变形引发的讨论等.
  例2 已知函数f(x)=x+1x,x∈[-2,-1),-2,x∈[-1,12),x-1x,x∈[12,2].
  (1)求f(x)的值域;
  (2)设函数g(x)=ax-2,x∈[-2,2],若对于任意x1∈[-2,2],总存在x0,使得g(x0)=f(x1)成立,求实数a的取值范围.
  思路点拨:(1)分段求值域,然后求并集;(2)分a>0,a=0和a<0三种情况讨论.
  解答:(1)当x∈[-2,-1)时,f(x)=x+1x在[-2,-1)上是增函数,此时f(x)∈-52,-2;
  当x∈-1,12时,f(x)=-2;
  当x∈12,2时,f(x)=x-1x在12,2上是增函数,此时f(x)∈-32,32.
  ∴f(x)的值域为-52,-2∪-32,32.
  (2)当a=0时,g(x)=-2,对于任意x1∈[-2,2],f(x1)∈[-52,-2)∪[-32,32],不存在x0∈[-2,2],使得g(x0)=f(x1)成立;
  当a>0时,g(x)=ax-2在[-2,2]上是增函数,g(x)∈[-2a-2,2a-2],任给x1∈[-2,2],f(x1)∈[-52,-2]∪[-32,32],
  
  若存在x0∈[-2,2],使得g(x0)=f(x1)成立,则[-52,-2)∪[-32,32][-2a-2,2a-2],
  ∴-2a-2≤-522a-2≥32,∴a≥74;
  当a<0时,g(x)=ax-2在[-2,2]上是减函数,g(x)∈[2a-2,-2a-2],
  同理可得-2a-2≥322a-2≤-52,∴a≤-74.
  综上所述,实数a的取值范围是(-∞,-74]∪[74,+∞).
  ◆考向3 由定理、公式引起的分类讨论
  一次函数、二次函数、指数函数、对数函数的单调性,均值定理、等比数列的求和公式等性质、定理与公式在不同的条件下有不同的结论,或者在一定的限制条件下才成立,这时要小心,应根据题目条件确定是否进行分类讨论.
  例3 已知等比数列{an}中,a1=1,Sn是其前n项和,且ak+1,ak+3,ak+2(k∈N)成等差数列.
  (1)求数列{an}的公比;
  (2)试判断Sk+1,Sk+3,Sk+2(k∈N)是否构成等差数列,并说明理由.
  思路点拨:在利用等比数列的前n项和公式时,要注意对公比q是否为1进行分类讨论.
  解答:(1)设等比数列{an}的公比为q(q≠0).
  依题意得2qk+2=qk+qk+1,由于qk≠0,所以2q2-q-1=0,解得q=1或q=-12.
  (2)当q=1时,Sk+1=(k+1)a1=k+1,Sk+3=k+3,Sk+2=k+2,显然Sk+1+Sk+2=k+1+k+2=2k+3≠2Sk+3,故Sk+1,Sk+3,Sk+2不能构成等差数列;
  当q=-12时,Sk+1=1-(-12)k+11-(-12)=23[1-(-12)k+1],
  
  同理可得Sk+2=23[1-(-12)k+2],Sk+3=23[1-(-12)k+3],
  
  于是Sk+1+Sk+2=23[1-(-12)k+1]+23[1-(-12)k+2]=23[2-(-12)k+1-(-12)k+2]
  =43[1-(-12)k+3]=2Sk+3,所以Sk+1,Sk+3,Sk+2能构成等差数列.
  综上所述:当q=1时,Sk+1,Sk+3,Sk+2不能构成等差数列;当q=-12时,Sk+1,Sk+3,Sk+2能构成等差数列.
  ◆考向4 由图形的变动引起的分类讨论
  在解题过程中,有些几何问题的图形位置或形状不能确定,如果解题时进行统一处理,将会遇到较大困难,这时就必须把问题分成几类或几部分来处理,采用分而治之的方法来各个击破.
  例4 长方形ABCD中,|AB|=4,|BC|=8,在BC边上取一点P,使|BP|=t,线段AP的垂直平分线与长方形的边的交点为Q、R时,用t表示|QR|.
  思路点拨:建立平面直角坐标系,设法求出点Q、R的坐标,利用两点间的距离公式建模.
  
  
  解答:如图,分别以BC、AB所在边为x,y轴建立坐标系,
  ∵kAP=-4t,∴kQR=t4,又AP的中点的坐标为t2,2,
  ∴QR所在的直线方程为y-2=t4x-t2……①
  
  由于t的取值范围的不同会导致Q、R落在长方形ABCD的不同边上,故需要分类讨论:
  当|PD|=|AD|=8时,|PC|=|PD|2-|DC|2=43,
  ∴当0≤t≤8-43时,Q、R两点分别在AB、CD上,
  对方程①,分别令x=0和x=8,可得Q0,2-t28,R8,2+2t-t28,
  这时|QR|=216+t2;
  当8-43  对方程①,分别令x=0和y=4,可得Q0,2-t28,R8t+t2,4,
  这时|QR|=(8t+t2)2+(2+t28)2;
  当4  对方程①,分别令y=0和y=4,可得Q(t2-8t,0),R(8t+t2,4),
  这时|QR|=4t2+16t,
  综上所述:当0≤t≤8-43时,|QR|=216+t2;当8-43  ◆考向5 由参数的变化引起的分类讨论
  题目中含有参数的问题(含参型),主要包括:(1)含有参数的不等式的求解;(2)含有参数的方程的求解;(3)对于解析式系数是参数的函数,求最值与单调性问题;(4)二元二次方程表示曲线类型的判定等.求解这类问题的一般思路是:结合参数的意义及对结果的影响而进行分类讨论,讨论时应全面分析参数变化引起结论的变化情况,参数有几何意义时还要考虑适当的运用数形结合思想.
  例5 已知函数f(x)=ax3-32x2+1(x∈R),其中a>0.
  (1)若a=1,求曲线y=f(x)在点(2,f(2))处的切线方程;
  (2)若在区间-12,12上,f(x)>0恒成立,求a的取值范围.
  思路点拨:本小题主要考查曲线的切线方程、利用导数研究函数的单调性与极值、解不等式等基础知识,考查运算能力及分类讨论的思想方法.
  解答:(1)当a=1时,f(x)=x3-32x2+1,f(2)=3;f′(x)=3x2-3x,f′(2)=6.所以曲线y=f(x)在点(2,f(2))处的切线方程为y-3=6(x-2),即6x-y-9=0.
  (2)f′(x)=3ax2-3x=3x(ax-1).令f′(x)=0,解得x=0或x=1a,
  以下分两种情况讨论:
  ①若0  
  x-12,000,12
  f′(x)正0负
  f(x)增极大值减
  当x∈-12,12时,f(x)>0等价于f(-12)>0,f(12)>0,即5-a8>0,5+a8>0.解得-5  ②若a>2,则0<1a<12.当x变化时,f′(x),f(x)的变化情况如下表:
  x-12,000,1a1a1a,12
  f′(x)正0负0正
  f(x)增极大值减极小值增
  当x∈[-12,12]时,f(x)>0等价于f(-12)>0,f(1a)>0,即5-a8>0,1-12a2>0.,解得22  综上所述,a的取值范围为0  总而言之,分类讨论思想的本质是逻辑划分,可以用集合的观点依据同一性、互斥性、层次性正确分类,并依据一定步骤合理地进行分类讨论,分类讨论既是一种思想,又是一种策略,还是一种方法,它广泛应用于中学数学的解题中.
  
  (作者:项冠炜,江苏省苏州第十中学)
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