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在中学数学教学中,培养学生的数学能力是最重要的目的,而“培养思维品质是发展智力与能力的突破口”,“学生数学能力的差异,通过数学思维的深刻性、灵活性和敏捷性等思维品质来体现”,“思维的深刻性是一切思维品质的基础”.数形结合有利于提高思维的深刻性,因此在中学数学教学中,数形结合不应仅仅作为一种解题方法,而应作为一种基本的、重要的数学思想,作为数学知识的精髓,作为将知识转化为能力的“桥梁”来学习和研究.我们要从“形”与“数”的结合上做好教材分析,揭示数学问题的实质.例如,函数是中学数学最重要的内容之一,这部分的内容也比较适合采用数形结合的方法来组织教学.对于函数的概念和性质,除正面讲清用数量关系给出的定义外,还要借助于图形直观性的一面,用不同的语言(数的语言、形的语言:开始介绍集合——可用韦恩图表示集合间的关系“交”、“并”、“补”;定义域和值域概念及其表示——通过不等式(组)的解,引用区间、线段,用数轴描写实数集,用数轴的全体或部分来表示定义域和值域;函数关系与图象——用平面点集(有序对)来描写、揭示函数关系(对应法则),而且用这个平面点集组成的曲线的、来描写函数的性质;奇偶性——关于点(原点O)或坐标轴对称,有界性——是否存在平行线或直线;周期性——图象能否有规律的重复出现或叠合;互为反函数的函数——关于y=x对称的图象,等等)、从不同的角度、以不同的形式来认识函数问题的本质.可见,在代数的核心内容函数的教学中,我们要做好这种“数”与“形”的关系的揭示、转化与统一——这正是函数知识的精髓,这样学生就能抓住函数知识的本质,抓住知识的内部联系,从而有助于系统地理解、掌握和运用函数知识去解决相关问题,这正是思维的深刻性与灵活性的体现,也体现了数形结合思想是将知识转化为能力的“桥梁”.
数形结合不仅能够帮助我们分析和处理教材,而且它在解题教学和解题实践中更是大显身手.作为解题方法的数形结合应包含两方面的内容:一方面,对于“形”的问题,引入坐标系或寻找其数量关系式,用“数”的分析加以解决;另一方面,对于数量关系间的关系问题,分析其几何意义,找出数形结合其所反映的“形”之间的关系,借助形的直观来解决,二者都是数形结合.
下面就六个方面来具体介绍数形结合思想在解题实践中的应用.
(一)运用数形结合思想解决函数问题
借助于图象研究函数的性质,是一种常用的解题方法,函数图象的几何特征与数量特征紧密结合,体现了数形结合的特征与方法,运用这种思想有助于理解题意,探求解题思路,检验解题结果.
例:设方程log3x+x-3=0的根为x1,方程3x+x-3=0的根为x2,求x1+x2的值.
Y
3 B
P
A
Y=x O 3 X
分析:由题设的两个方程很难解出x1,x2的值,如图所示,若单独使用图象法将第一个方
程写成log3x=3-x,再求函数y=log3x与y=3-x图象的交点,只能求出近似值,但
如果考虑到y=log3x与y=3x关于y=x对称,可得如下解法
解:所给两方程可变形为log3x=3-x,3x=3-x,
第一个方程的根是x1,就是y=log3x与y=3-x图象的交点A的横坐标;第二个方
程的是x2就是y=3x与y=3-x图象交点B的横坐标,设y=x与y=3-x的交点为P.
因为直线y=x垂直于y=3-x,并且y=log3与y=3x的图象关于y=x对称,所以A
与B关于点P对称,易求 ,从而有 ,所以x1+x2=3
(二)运用数形结合思想解决三角问题
有关三角函数单调区间的确定或比较三角函数值的大小等问题,一般先将函数化成基
本三角函数的形式,借助于单位圆后三角函数的图象来处理,数形结合思想是处理三角函数
问题的重要思想方法.
例:已知0 分析:对于本题中的3个比较量,可用作差法比较sina 较就很困难,但如果借助于单位圆就比较容易了.
证明:如图所示,在单位圆中做 作AD⊥OB,作AD⊥OB于D,显然有面积不等式:
,即
所以 ,即sina (三)运用数形结合思想解决不等式问题
数形结合处理不等式问题即从题目的条件与结论出发,着重分析其几何意义,从图形
上找出解题的思路.运用数形结合解题主要有两个途径:(1)转化:即将代数式转化为几何
式.(2)构造:即构造图形或函数.
例:若0≤x2+ax+5≤4恰有一个解,求常数a.
Y
y=4
O X
解在同一直角坐标系内作出y=4图象及y=x2+ax+5的草图,如图所示.如果抛物线的顶点在直线y=4的下方,则原不等式有无数个解;如果抛物线的顶点在y=4的上方y=4,则原不等式无解.因此,当且仅当抛物线的顶点在y=4上时,原不等式才有一解.易知抛物线顶点的纵坐标为 ,从而应有 .∴a=±2,这时对应的不等式的解为x=
(四)运用数形结合思想处理方程问题
用数形结合思想处理方程问题,即把方程根的问题看成两个函数图象的交点问题,借
助函数图象采用直观分析的方法,通过研究函数图象的交点问题来研究方程根的问题.
例:k为何值时,方程7x2-(k+B)x+k2-k=2的两根分别在(0,1)和(1,2)内. 分析:本题若用韦达定理来做,虽然也能得出结果,但过程会比较麻烦,要是结合函数
图形来做就会简单许多,且过程也比较明了.
解:设f(x)=7x2-(k+B)x+k2-k-2此函数图象是开口向上的的抛物线,根据图象
得 即 即-2 Y
O 1 2 X
当-2 (五)运用数形结合思想研究数列问题
数列是一种特殊的函数,数列的通项公式及前n项公式可以看作是关于正整数n的函
数.用数形结合的思想研究数列问题就是借助函数的图象进行直观分析,从而把数列的有关
问题转化为函数的有关问题来解决.
例:设等差数列{an}的前n项的和为Sn,已知a3=12,S12>0,S13<0,若公差d<0,求S1、S2…S12中的哪一个值最大,并说明理由.
Y
X
O 12 13
分析:由于等差数列中Sn是关于n的二次函数,要求S1、S2…S12中的最大值,可利用二
次函数的图象来求解
解:设等差数列的首项为a1,∵
又d<0,S12>0,S13<0.∴Sn=g(n)图象如图所示,抛物线顶点的横坐标n0满足
12<2n0<13,∴6 (六)运用数形结合思想研究解析几何问题
解析几何的基本思想就是数形结合,在解题中要善于将数形结合的思想方法运用于对
圆锥曲线的性质和相互关系的研究中.
例:试求出过点 的直线,使它与抛物线y=4x2仅有一个公共点.
Y
O X
解设过(0.1)的直线y=kx+1,把它与y=4x2联立代入得x的二次方程
k2x2+(2k-4)+1=0,令其判别式Δ=0后,出k=1,得出直线y=x+1.这里忽视一个限
制条件:二次项系数不为0.而且对直线与曲线的相切和只有一个交点这两个概念混为一谈.又
因在使用斜截式方程时,默认斜率存在或倾斜角不为90°,因而使解法不够完整,所以我们必
须注意k的两个临界值:k=0或k不存在(k→∞)时的极端情形,经过实际验证得到满足问题
的另外两个解:直线y=1与x=0.
在解题教学中要将数形结合思想贯穿于始终,要不断启发学生去尝试,去“形”中觅“数”,“数”中思“形”,通过“以数解形”或“以形助数”,兼取数的严谨与形的直观两方面的长处,使复杂问题简单化,抽象问题具体化,开拓解题思路,训练解题技能积累解题经验,享受使用数形结合思想带来的喜悦。
数形结合不仅能够帮助我们分析和处理教材,而且它在解题教学和解题实践中更是大显身手.作为解题方法的数形结合应包含两方面的内容:一方面,对于“形”的问题,引入坐标系或寻找其数量关系式,用“数”的分析加以解决;另一方面,对于数量关系间的关系问题,分析其几何意义,找出数形结合其所反映的“形”之间的关系,借助形的直观来解决,二者都是数形结合.
下面就六个方面来具体介绍数形结合思想在解题实践中的应用.
(一)运用数形结合思想解决函数问题
借助于图象研究函数的性质,是一种常用的解题方法,函数图象的几何特征与数量特征紧密结合,体现了数形结合的特征与方法,运用这种思想有助于理解题意,探求解题思路,检验解题结果.
例:设方程log3x+x-3=0的根为x1,方程3x+x-3=0的根为x2,求x1+x2的值.
Y
3 B
P
A
Y=x O 3 X
分析:由题设的两个方程很难解出x1,x2的值,如图所示,若单独使用图象法将第一个方
程写成log3x=3-x,再求函数y=log3x与y=3-x图象的交点,只能求出近似值,但
如果考虑到y=log3x与y=3x关于y=x对称,可得如下解法
解:所给两方程可变形为log3x=3-x,3x=3-x,
第一个方程的根是x1,就是y=log3x与y=3-x图象的交点A的横坐标;第二个方
程的是x2就是y=3x与y=3-x图象交点B的横坐标,设y=x与y=3-x的交点为P.
因为直线y=x垂直于y=3-x,并且y=log3与y=3x的图象关于y=x对称,所以A
与B关于点P对称,易求 ,从而有 ,所以x1+x2=3
(二)运用数形结合思想解决三角问题
有关三角函数单调区间的确定或比较三角函数值的大小等问题,一般先将函数化成基
本三角函数的形式,借助于单位圆后三角函数的图象来处理,数形结合思想是处理三角函数
问题的重要思想方法.
例:已知0 分析:对于本题中的3个比较量,可用作差法比较sina
证明:如图所示,在单位圆中做
,即
所以 ,即sina (三)运用数形结合思想解决不等式问题
数形结合处理不等式问题即从题目的条件与结论出发,着重分析其几何意义,从图形
上找出解题的思路.运用数形结合解题主要有两个途径:(1)转化:即将代数式转化为几何
式.(2)构造:即构造图形或函数.
例:若0≤x2+ax+5≤4恰有一个解,求常数a.
Y
y=4
O X
解在同一直角坐标系内作出y=4图象及y=x2+ax+5的草图,如图所示.如果抛物线的顶点在直线y=4的下方,则原不等式有无数个解;如果抛物线的顶点在y=4的上方y=4,则原不等式无解.因此,当且仅当抛物线的顶点在y=4上时,原不等式才有一解.易知抛物线顶点的纵坐标为 ,从而应有 .∴a=±2,这时对应的不等式的解为x=
(四)运用数形结合思想处理方程问题
用数形结合思想处理方程问题,即把方程根的问题看成两个函数图象的交点问题,借
助函数图象采用直观分析的方法,通过研究函数图象的交点问题来研究方程根的问题.
例:k为何值时,方程7x2-(k+B)x+k2-k=2的两根分别在(0,1)和(1,2)内. 分析:本题若用韦达定理来做,虽然也能得出结果,但过程会比较麻烦,要是结合函数
图形来做就会简单许多,且过程也比较明了.
解:设f(x)=7x2-(k+B)x+k2-k-2此函数图象是开口向上的的抛物线,根据图象
得 即 即-2
O 1 2 X
当-2
数列是一种特殊的函数,数列的通项公式及前n项公式可以看作是关于正整数n的函
数.用数形结合的思想研究数列问题就是借助函数的图象进行直观分析,从而把数列的有关
问题转化为函数的有关问题来解决.
例:设等差数列{an}的前n项的和为Sn,已知a3=12,S12>0,S13<0,若公差d<0,求S1、S2…S12中的哪一个值最大,并说明理由.
Y
X
O 12 13
分析:由于等差数列中Sn是关于n的二次函数,要求S1、S2…S12中的最大值,可利用二
次函数的图象来求解
解:设等差数列的首项为a1,∵
又d<0,S12>0,S13<0.∴Sn=g(n)图象如图所示,抛物线顶点的横坐标n0满足
12<2n0<13,∴6
解析几何的基本思想就是数形结合,在解题中要善于将数形结合的思想方法运用于对
圆锥曲线的性质和相互关系的研究中.
例:试求出过点 的直线,使它与抛物线y=4x2仅有一个公共点.
Y
O X
解设过(0.1)的直线y=kx+1,把它与y=4x2联立代入得x的二次方程
k2x2+(2k-4)+1=0,令其判别式Δ=0后,出k=1,得出直线y=x+1.这里忽视一个限
制条件:二次项系数不为0.而且对直线与曲线的相切和只有一个交点这两个概念混为一谈.又
因在使用斜截式方程时,默认斜率存在或倾斜角不为90°,因而使解法不够完整,所以我们必
须注意k的两个临界值:k=0或k不存在(k→∞)时的极端情形,经过实际验证得到满足问题
的另外两个解:直线y=1与x=0.
在解题教学中要将数形结合思想贯穿于始终,要不断启发学生去尝试,去“形”中觅“数”,“数”中思“形”,通过“以数解形”或“以形助数”,兼取数的严谨与形的直观两方面的长处,使复杂问题简单化,抽象问题具体化,开拓解题思路,训练解题技能积累解题经验,享受使用数形结合思想带来的喜悦。