利用特殊思想方法解决抽象函数问题

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  对于用常规解法难以解决的数学问题,若利用一些特殊的数学思想方法求解,有时会收到事半功倍的效果。
  一、合理赋值,构造方程
  例1、是否存在函数f(x)同时满足下列三个条件:(1)f(x+y)+f(x-y)=2f(x)cosy(x、y∈R);(2)f(0)=a(a为常数);(3)f(π2)=b(b为常数)?若存在,求f(x)的表达式;若不存在,请说明理由。
  分析:条件(1)中x、y的任意性,隐含着x、y既可“换元”,又可“赋值”,结合条件(2)和(3),可望构造出函数方程组,从而求得函数表达式。
  令x=0,y=t得,f(t)+f(-t)=2acost ……………………………… ①
  令x= π/2+t,y= π/2得,f(π+t)+f(t)=0……………………………… ②
  令x= π/2,y=t+π/2得f(π+t)+f(-t)= -2bsint…………………………… ③
  将①+② - ③得f(x)=acost+bsint,故存在f(x)=acost+bsint符合题意。
  评注:方程观点是处理数学问题的一个基本观点,挖掘隐含条件,合理赋值,构造方程(组),化函数问题为方程问题,可使这类抽象函数问题迅速获解。
  二、挖掘隐含,分类讨论
  例2、设f(x)是定义在(-∞,+∞)上的增函数,问是否存在实数k,使不等式f(k+sin2x)≥f[(k-4)(sinx+cosx)]对任意x∈R恒成立?并说明理由。
  分析:令sinx+cosx =t,则sin2x = t2-1 ,原不等式对一切x∈R恒成立,等价于不等式μ(t)= t2 -(k-4)t+(k-1)≥0对任意t∈[-22,22]恒成立,下列分三种情况讨论:
  (1)当Δ<0时,μ(t)≥0,对t∈恒成立,由Δ=(k-4)2- 4(k-1)=(k-2)(k-10)<0得2<k<10;
  (2)当Δ=0时,k=2或k=10,此时抛物线t2 -(k-4)t+(k-1)的顶点横坐标t= -1或t=3,μ(t)≥0对任意t∈恒成立;
  (3)当Δ>0时,μ(t)≥0对任意t∈恒成立的充要条件是:
   解①②得10<k<9+,综合(1)(2)(3)得的取值范围是[2,9+] 。
  评注:对于参数的抽象函数问题,通过挖掘隐含条件,寻求分类标准,逐类讨论,分而治之是解题的常用方法。
  三、剖析特例,类比联想
  例3、设函数f(x)定义在实数集上,对任意x、y∈R,都有:f(x+y)+f(x-y)=2f(x)f(y)且存在正数c,使f(c/2)=0,试问f(x)是否是周期函数?若是,求出它的一个周期;若不是,请说明理由。
  分析:由于问题较抽象,不易发现f(x)是否为周期函数,更难找出它的一个周期。若特殊探路,降维思考,联想三角公式,不难发现函数f(x)=cosx满足题设条件,因为f(x)=cosx是周期为2π的函数,且cosπ/2=0,故推测f(x)是以2c为周期的周期函数。事实上f[(x+c/2)+c/2] +f[(x+c/2)-c/2]=2f(x+c/2)f(c/2)=0,∴f(x+c)= -f(x),∴f(x+2c)= -f(x+c)=f(x)(x∈R)。
  评注:通过剖析具体实例,大胆类比,精心联想,探索出抽象函数问题的结论,为解题指明了方向,开辟了道路。特殊探路、类比联想是处理抽象函数问题的常用方法。
  四、正难则反,逆推反正
  例4、已知函数f(x)在区间(-∞,+∞)上是增函数,a、b∈R,若f(a)+f(b)≥f(-a)+f(-b),求证:a+b≥0。
  分析:欲证上述命题,正向推理,不易用上题设条件,转而逆思考。若a+b<0,则a<-b,b<-a,据单调性f(a)<f(-b),f(b)<(-a),从而f(a)+f(b)<f(-a)+f(-b)这与已知矛盾,∴a+b<0不成立,即a+b≥0。
  评注:本题若直接法,显然无从下手,但若考虑用反证法,则问题很快解决。正难则反是处理“是否存在”型抽象函数问题的常用方法。
  五、恰用递推,归纳猜想
  例5、是否存在这样的函数f(x),使下列三个条件: (1)f(x)>0,n∈N;(2)f(n1+n2)=f(n1)f(n2),n1、n2∈N;(3)f(2)=4同时成立?若存在,求出解析式;若不存在,说明理由。
  分析:若存在,由条件(1)(2)(3)得f(2)=f(1+1)=[f(1)]2=4,f(1)=2,又∵f(2)=4=22,∴f(3)=f(1)f(2)=23,f(4)=24,猜想f(x)=2x(x∈N),用数学归纳不难证得此猜想正确。
  评注:通过若干数据实验,用不完全归纳法作出猜想,再用数学归纳法给出证明是处理抽象函数递推型问题的常用方法。
  以上列举了求解抽象型函数问题的解题思想,处理这类问题时,常需将几种解题思想综合运用,“多管齐下”。通过抽象型函数问题的解题思想的探求,可以在提高学生的解题能力,培养学生思维的灵活性,最终达到创新思想的培养方面将收到良好效果。
  参考文献:
  [1]贾士代、翟连林主编.《高中数学巧妙解法400例》.北京教育出版社
  [2]张巨轮.《抽象函数试题的类型与求解思路》.《中学数学》,2000.11
  [3]叶家振.《抽象函数关系给出的对称性与周期性》.《中学数学》,96.6
  [4]张坤元.《求解含抽象函数不等式的几种技巧》.《中学数学》,95.4
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