巧用“变号”思想找到平面所表示的区域

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  摘要:一元二次不等式的解法是高中阶段的重要知识点,而解法中的“变号”思想,通过灵活巧用,对于后续简单线性规划的学习提供了便捷。尤其是运用在确定二元一次不等式的平面区域,巧用“变号”思想,从升维的角度思考问题。
  关键词:“变号”平面;区域
  在学习二元一次不等式(组)与简单线性规划问题时,有一种常见题型——
  例:在坐标平面内找到(x+y-1)(x-y-1)>0所表示的平面区域。
  分析:(x+y-1)(x-y-1)>0,利用分类讨论的思想,可以等价转换为 或 。在坐标平面内找到(x+y-1)(x-y-1)>0所表示的平面区域,就等价为在坐标平面内找到 或 所表示的平面区域。
  常规的步骤是首先在坐标平面内找到 所表示的区域(分别按照画线定界、单侧代点定域的步骤表示出x+y-1>0和x-y-1>0,再选取其公共部分),其次在上述坐标平面内找到 所表示的区域(步骤同上)。这样的步骤虽然难度不大,但是繁琐费时。
  二元一次不等式(组)与简单线性规划问题内容安排在人教b版必修五第三章第五节。在实际解题的过程中画线定界、单侧代点定域是两个常见且实用的步骤,包含了二元一次方程在平面直角坐标系上的表示方法,以及点和直线的位置关系。而在人教b版必修五第三章第三节,学习的内容是一元二次不等式及其解法,该节课的学习对于找出平面表示的区域有哪些帮助?
  在解一元二次不等式时,常常利用数形结合的思想。
  例:当a>b时,求一元二次不等式(x-a)(x-b)<0的解集。
  分析:
  结合左側草图,抛物线与x轴两交点为零点。
  位于x轴的上方位置的抛物线上的点,带入方程后,满足(x-a)(x-b)>0
  位于x轴的下方位置的抛物线上的点,带入方程后,满足(x-a)(x-b)<0
  因此,找到一元二次不等式(x-a)(x-b)<0的解集:(a,b)。
  我们将形如x=a与x=b的零点,称之为变号零点,这是因为当抛物线的点位于此类零点的同一侧时,将点的横坐标代入原式,所得不等号方向相同。当点在抛物线上运动时,每经过一个变号零点,不等号方向就发生一次变化,经过两个变号零点,不等号方向改变两次,则与原来不等号方向一致(不发生改变)。
  在解一元多次不等式时,仍可以利用变号零点的性质。画出辅助草图,x轴将满足原式大于零(或小于零)分成一类,可以直接得到解题结果。
  在解一元二次不等式时,所利用的抛物线,虽然看似性质比直线复杂,但是实质是一维的问题,我们所研究的范围是抛物线上的所有点。而平面上的抛物线外的点,我们并不做研究。
  当我们在研究二元一次不等式所表示的平面区域时,相比一元二次不等式,多了一个未知数y,这导致问题的维度增加了,我们将不能在一条线上研究这个问题,问题的范围扩大到了整个二维平面,坐标平面上的所有点都是研究对象。此时,对于平面上的二元一次函数z=ax+by+c来说,ax+by+c=0是坐标平面上的一条直线,直线上的每一个点所对应的坐标,均满足z=ax+by+c=0,是该函数的零点。二元一次不等式表示平面区域时,要先画直线定界,ax+by+c=0将平面分为两个开半平面,同一开半平面的点的坐标带入函数z=ax+by+c,所得到结果正负号相同,不同开半平面的点的坐标带入函数z=ax+by+c,所得到结果正负号相反,即同侧同号,异侧异号,当平面上的点从一个开半平面运动到另一个开半平面,要经过直线ax+by+c=0,对应函数值的正负号改变。这与解一元二次不等式时,利用变号零点的变号性求解解题思路一致。
  利用这样的思想再来看(x+y-1)(x-y-1)>0。
  对于方程z=(x+y-1)(x-y-1),在平面直角坐标系上的零点,是两条直线:x+y-1=0和x-y-1=0.而这两条直线,保持了“变号”的性质。
  两条直线将平面直角坐标系分成“上“、“下“、”左”、”右”四个部分
  先考察“左”部分,代入一点(0,0),(0+0-1)(0-0-1)>0
  因此”左”部分的所有的点的坐标是原不等式的解 ,”上”、“下”两部分,分别与”左”部分间隔一条直线,由直线作为零点的“变号”性质可知这两个部分的点的坐标使(x+y-1)(x-y-1)<0,”上”部分与”右”部分以直线x-y-1=0为界,由直线作为零点的“变号”性质可知”右”部分的点的坐标满足(0+0-1)(0-0-1)>0
  最终得到本题所求平面区域如图
  被分成的四个区域中,不相邻的两区域的点的坐标对应的函数值正负号相同,由此我们得到一种较快的解题方法:任意找某个区域代点确定正负号,相邻区域的正负号是相反的,确定所有区域的正负号,解出答案。
  例:在平面直角坐标系中表示(a1x+b1y+c) (a2x+b2y+c) (a3x+b3y+c)>0的区域,(a1x+b1y+c)=0, (a2x+b2y+c)=0, (a3x+b3y+c)=0,三条直线将平面直角坐标系最多分成7个区域,任取一个区域代点确定正负号。
  相邻的区域正负号相反,确定所有区域正负号,找到所有解对应的点的集合,即原不等式对应的平面区域。
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