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保持数学问题的某些不变性质,改变信息形态,借以解决问题的一种策略,就是变换策略,也就是将要解决的问题先进行变换,使之转化,它可以使问题达到化繁为简,化未知为已知,化陌生为熟悉的目的.变换的形式是多样的,本文主要论述中学数学中常见的五种变换:数形变换、变量替换(换元)、几何变换、等价变换、三角变换.
一、数形变换
数学的产生和发展是空间形式中“形”与“数”的相互依存、相互促进的结果.数形变换通常包含两方面内容:一是通过对图形性质的研究去解决数量关系问题;二是运用代数、三角知识,通过对数量关系的讨论,去处理几何图形问题.
例1 求函数f(x)=+ 的最小值.
解:将函数转化为f(x)=+,则问题归结为在x轴上求一点p,使p与A(0,2)、B(2,1)间的距离之和最小.由图可知,作A点关于x轴的对称点A′,连结A′B交x轴于点P,则P点为所求,|A′B|为最短.|A′B|= =,即所求最小值为.
数形结合方法人们认识和研究客观世界的一种基本思维方法,是架设“数”与“形”的思维桥梁,对提高数学解题能力是十分重要的.
二、变量替换(换元)
换元法广泛用于数学中的解题,比如解析几何中的平移、旋转、直角坐标与极坐标互换等.在代数中,巧妙的变量替换,常给人出奇制胜的感觉.
例2 解无理方程+-=x.
分析:习惯上处理无理方程是用平方的方法,化无理方程为有理方程.但本题有其自身的特点,因为(+)2=2x+2,所以可令y=+,原方程化为y-=0,考虑到y≠0,∴y=2,即+=2,然后解此方程即可.
换元法是中学数学变换策略中的一种重要方法,适当的换元可使问题变得简单明了,提高解题速度.
三、初等几何变换
在解几何题时,常常会遇到条件分散、图形陌生、不易入手的情況,这时如果对图形来一个变换,如旋转、对称、平移等,可使条件相对集中,使陌生的图形出现熟悉的结构.
例3 如图,设P是正方形ABCD内的一点,满足PA:PB:PC=1:2:3,求∠APB的大小.
解:直接从题设出发,难以沟通条件和结论的联系,注意到正方形的性质,考虑用变换使条件集中.将△APB绕B点顺时针方向旋转90°至△CQB的位置.
∵△PBQ是等腰直角三角形
∵∠PQB=45°,PQ=PB
又∵PA:PB:PC=1:2:3
∴PQ2+QC2=(2PA)2+(PA)2=(3PA)2= PC2
∴△PQC是直角三角形,∠CQP=90°
从而∠APB=∠CQB=135°.
四、等价变换
在研究某问题发生困难时,常可以通过适当地变更问题达到难易或繁简的转化,实现等价转换,当然也可用等价的逆否命题或等价的逆命题,改直接证明为间接证明.
例4 任意剪六个圆形纸片放在桌面上,使得没有一个纸片的中心落在另一纸片上或被另一纸片盖住,然后用一枚针去扎这一堆纸片.证明不论针尖落在哪一点,总不能一次把六个纸片都扎中.
分析:这个较难的证明命题,经过等价转换成下述等价命题:设平面上有6个圆,每个圆的圆心都在其余各圆的外部,证明平面上任一点都不会同时在这6个圆的内部.对此命题应用反证法不难证明到.
五、三角变换
通过三角变换,可以把代数转化为三角式,从而使复杂的代数运算,化为简单的三角运算.因此有些代数问题,若用三角变换转化为三角问题,能收到化难为易,化繁为简的效果,而且对提高学生的综合解题能力十分有效.此外,三角变换还可用于三角恒等式的证明.
例5 在实数集上解方程x+=.
解:要使方程有解,必须x>1,因此可设x=secθ[θ∈(0,)],此时方程化为secθ+=,即=
两边平方有=
∴1225sin22θ-576sin2θ-576 = 0
∴sin2θ=或sin2=-(舍)
∴cosθ=或
∴x1=,x2=.
经检验,x1、x2是原方程的解.
作出一个合适的变换,本身就是一种创造性的活动.解题的过程,实际上是一个不断地变更问题的过程.只要多做多练,在解题实践中有意识地加以运用各种变换策略,必能收到很好的效果.
责任编辑罗峰
一、数形变换
数学的产生和发展是空间形式中“形”与“数”的相互依存、相互促进的结果.数形变换通常包含两方面内容:一是通过对图形性质的研究去解决数量关系问题;二是运用代数、三角知识,通过对数量关系的讨论,去处理几何图形问题.
例1 求函数f(x)=+ 的最小值.
解:将函数转化为f(x)=+,则问题归结为在x轴上求一点p,使p与A(0,2)、B(2,1)间的距离之和最小.由图可知,作A点关于x轴的对称点A′,连结A′B交x轴于点P,则P点为所求,|A′B|为最短.|A′B|= =,即所求最小值为.
数形结合方法人们认识和研究客观世界的一种基本思维方法,是架设“数”与“形”的思维桥梁,对提高数学解题能力是十分重要的.
二、变量替换(换元)
换元法广泛用于数学中的解题,比如解析几何中的平移、旋转、直角坐标与极坐标互换等.在代数中,巧妙的变量替换,常给人出奇制胜的感觉.
例2 解无理方程+-=x.
分析:习惯上处理无理方程是用平方的方法,化无理方程为有理方程.但本题有其自身的特点,因为(+)2=2x+2,所以可令y=+,原方程化为y-=0,考虑到y≠0,∴y=2,即+=2,然后解此方程即可.
换元法是中学数学变换策略中的一种重要方法,适当的换元可使问题变得简单明了,提高解题速度.
三、初等几何变换
在解几何题时,常常会遇到条件分散、图形陌生、不易入手的情況,这时如果对图形来一个变换,如旋转、对称、平移等,可使条件相对集中,使陌生的图形出现熟悉的结构.
例3 如图,设P是正方形ABCD内的一点,满足PA:PB:PC=1:2:3,求∠APB的大小.
解:直接从题设出发,难以沟通条件和结论的联系,注意到正方形的性质,考虑用变换使条件集中.将△APB绕B点顺时针方向旋转90°至△CQB的位置.
∵△PBQ是等腰直角三角形
∵∠PQB=45°,PQ=PB
又∵PA:PB:PC=1:2:3
∴PQ2+QC2=(2PA)2+(PA)2=(3PA)2= PC2
∴△PQC是直角三角形,∠CQP=90°
从而∠APB=∠CQB=135°.
四、等价变换
在研究某问题发生困难时,常可以通过适当地变更问题达到难易或繁简的转化,实现等价转换,当然也可用等价的逆否命题或等价的逆命题,改直接证明为间接证明.
例4 任意剪六个圆形纸片放在桌面上,使得没有一个纸片的中心落在另一纸片上或被另一纸片盖住,然后用一枚针去扎这一堆纸片.证明不论针尖落在哪一点,总不能一次把六个纸片都扎中.
分析:这个较难的证明命题,经过等价转换成下述等价命题:设平面上有6个圆,每个圆的圆心都在其余各圆的外部,证明平面上任一点都不会同时在这6个圆的内部.对此命题应用反证法不难证明到.
五、三角变换
通过三角变换,可以把代数转化为三角式,从而使复杂的代数运算,化为简单的三角运算.因此有些代数问题,若用三角变换转化为三角问题,能收到化难为易,化繁为简的效果,而且对提高学生的综合解题能力十分有效.此外,三角变换还可用于三角恒等式的证明.
例5 在实数集上解方程x+=.
解:要使方程有解,必须x>1,因此可设x=secθ[θ∈(0,)],此时方程化为secθ+=,即=
两边平方有=
∴1225sin22θ-576sin2θ-576 = 0
∴sin2θ=或sin2=-(舍)
∴cosθ=或
∴x1=,x2=.
经检验,x1、x2是原方程的解.
作出一个合适的变换,本身就是一种创造性的活动.解题的过程,实际上是一个不断地变更问题的过程.只要多做多练,在解题实践中有意识地加以运用各种变换策略,必能收到很好的效果.
责任编辑罗峰