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我看數(shù)形結(jié)合

2011-12-29 00:00:00瞿文葉
考試周刊 2011年60期


  數(shù)形結(jié)合的解題思想是高中數(shù)學(xué)的主要解題方法之一。數(shù)學(xué)是研究空間形式和數(shù)量關(guān)系的科學(xué)。《高中數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》要求:讓學(xué)生在學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和運用數(shù)學(xué)解決問題時,不斷地經(jīng)歷直觀感知、觀察發(fā)現(xiàn)、歸納類比、空間想象、抽象概括、符號表示等思維過程??梢钥闯觯嚎臻g想象、抽象概括、符號表示等是提高學(xué)生的數(shù)學(xué)思維能力的重要內(nèi)容。數(shù)學(xué)中兩大研究對象“數(shù)”與“形”的矛盾統(tǒng)一是數(shù)學(xué)發(fā)展的內(nèi)在因素,數(shù)形結(jié)合是貫穿于數(shù)學(xué)發(fā)展長河中的一條主線,并且使數(shù)學(xué)在實踐中的應(yīng)用更加廣泛和深入。一方面,借助于圖形的性質(zhì),可以將許多抽象的數(shù)學(xué)概念和數(shù)量關(guān)系形象化、簡單化,給人以直觀的啟示。另一方面,將圖形問題轉(zhuǎn)化為代數(shù)問題,可以獲得精確的結(jié)論。這種“數(shù)”與“形”的信息相互轉(zhuǎn)換、相互滲透,不僅可以使一些題目的解決簡潔明快,而且可以大大開拓我們的解題思路,為研究和探求數(shù)學(xué)問題開辟一條重要的途徑。因此,數(shù)形結(jié)合不僅僅是一種解題方法,更是一種重要的數(shù)學(xué)思想方法。著名數(shù)學(xué)家華羅庚先生關(guān)于數(shù)形結(jié)合有一首小詩:
  數(shù)形本是相倚依,焉能分作兩邊飛?
  數(shù)缺形時少直觀,形少數(shù)時難入微,
  數(shù)形結(jié)合百般好,隔離分家萬事休,
  幾何代數(shù)統(tǒng)一體,永遠(yuǎn)聯(lián)系莫分離。
  這首詩形象地道出了數(shù)形結(jié)合的真諦。由于數(shù)形結(jié)合的重要性,數(shù)學(xué)教師經(jīng)常把數(shù)形結(jié)合方法掛在嘴邊,落實在課堂上。但是在實際教學(xué)中有的同學(xué)會有這樣的疑問:我也由題目給定的代數(shù)關(guān)系得畫出圖形,或是也由所給出的圖形得到了一定的代數(shù)關(guān)系,可是題目就是解不出來,這是為什么?下面我們通過幾個例子來看一下。
  例1.(2010全國卷)已知函數(shù)f(x)=|lgx|?搖?搖0<x≤10x+6?搖?搖x﹥10,若a、b、c不相等,且f(a)=f(b)=f(c),則abc 的取值范圍是?搖?搖?搖.
  我請一個同學(xué)上黑板上來展示他的解題過程,該生說不會做,我就讓他寫出他已經(jīng)做出的部分,他的解題過程如下:
  先由已知條件,畫出圖像。
  由圖像可以看出,要使f(a)=f(b)=f(c),可設(shè)a<b<c,則相當(dāng)于y=n的圖像與上圖有三個交點。則可判斷出a<1,1<b<10,10<c<12。
  到此為止,該生得不出進(jìn)一步的結(jié)論,有一種感覺,好像眼看著就能做出來,卻怎么也做不出來。
  分析:出現(xiàn)上述結(jié)果的原因其實就是學(xué)生在對數(shù)形結(jié)合關(guān)系的把握上只注重圖形的功能,也就是說,已知條件的幾何意義是找出來了,但是蘊藏在幾何圖形下面的代數(shù)關(guān)系卻還沒有揭示出來,而沒有認(rèn)識到要想最終決問題還是要依靠a、b、c之間的代數(shù)關(guān)系,幾何圖形只能幫助我們直觀地認(rèn)識可能出現(xiàn)的結(jié)果,而不能精確進(jìn)行運算。簡單地說,只認(rèn)識到f(x)與y=n有三個不同交點,只注重圖形關(guān)系,而不能把f(a)=f(b)=f(c)所揭示的代數(shù)含義轉(zhuǎn)化出來。由此我想到為什么有的同學(xué)做這些類型的問題時,可能會得出正確的結(jié)果,但你讓他寫他卻不太能完整地寫出來。某種意義上是因為是因為我們有時過分關(guān)注形式化的結(jié)果,卻忽略了其代數(shù)關(guān)系的教學(xué)。
  經(jīng)過點撥,該生得出了以下的解題過程:
  ∵由圖形可以看出,要使f(a)=f(b)=f(c),可設(shè)a<b<c,則相當(dāng)于y=n圖像與上圖有三個交點。則可判斷出a<1,1<b<10,10<c<12。
  ∴f(a)=-lga,f(b)=lgb,f(c)=c+6
  由f(a)=f(b),得-lga=lgb
  ∴ ab=1,∴abc=c.
  又∵1>f(c)>0,則10<c<12
  ∴abc∈(10,12).
  例2.若關(guān)于x的方程x+ax+2=0的兩根都大于1,求實數(shù)a的取值范圍.
  解法一:設(shè)f(x)=x+ax+2,若方程有兩個大于1的根,由圖像可知圖形與x軸有兩個交點且零點大于1,所以:
 ?。?)f(1)>0,(2)△≥0,(3)->1.
  則由(1)可得a>-3,由(2)可得a≥2或a≤-2,由(3)得a<-2.綜上可知-2≥a>-3.
  全班所有學(xué)生,無論是做對做錯的,用的都是上述解法。而且當(dāng)我提問是否有其他解法時,學(xué)生都感到茫然,好像只知道這種方法。這也許是因為我們在解決此類問題時一直給學(xué)生強調(diào)“一元二次函數(shù)、一元二次不等式、一元二次方程”三個二次的相互轉(zhuǎn)化,使學(xué)生形成了思維定勢,只想到要立即轉(zhuǎn)化成為一元二次函數(shù)。
  就一個一元二次方程的根的情況來說,它的根是完全可以解的。為什么學(xué)生想到的只是利用函數(shù)的圖像呢?是方程的解不能表示出來還是表示太難?我們來看看代數(shù)解法的解題過程,對比一下就可以看出問題所在。
  解法二:因為方程有解,則同上,由△≥0得a≥2或a≤-2,所以方程的根為x=,x=,由題意可得x<x,若要根大于1,只要x>1即可,由>1,可得-3<a<-2,所以a 的取值范圍是-2≥a>-3.
  對比兩種不同的解法,可以發(fā)現(xiàn),解法二唯一有點困難的地方是解不等式>1。但是對于一個高中生來說,實在說不上難,為什么學(xué)生就不愿意采用,甚至于忘記這種解法呢?這不是我們開始學(xué)習(xí)討論方程的根的問題時學(xué)生最先想到的方法嗎?討論方程根的問題,把方程根求出來不是最本質(zhì)的做法嗎?同時該做法對于糾正學(xué)生對于圖形的過度依賴,加強代數(shù)關(guān)系的教學(xué),鍛煉學(xué)生良好的學(xué)習(xí)品質(zhì)都有好處。
  例3.試判斷方程sinx=x方程解的個數(shù).
  根據(jù)觀察,我們可以看出x=0一定是方程的根,有的同學(xué)根據(jù)感覺畫出圖像(1)認(rèn)為有三個交點。有的同學(xué)則畫出圖像(2)認(rèn)為有一個交點。大家都知道解的個數(shù)問題要化成交點的個數(shù),但是為什么會得到不同的結(jié)果呢?而且得到(1)的同學(xué)更多。產(chǎn)生錯誤的根本原因是對函數(shù)y=sinx的圖像的變化不清楚。而解決這個問題就要利用導(dǎo)數(shù)說明函數(shù)y=x-sinx 在(0,)上的大于零恒成立。
  利用數(shù)形結(jié)合解題要求畫出相應(yīng)的圖形,但是由于各種原因?qū)W生畫出的都是草圖,有時其精度足以影響到解題的結(jié)果。這時就顯示出代數(shù)計算的重要性,數(shù)形結(jié)合不僅有圖形,還要有相應(yīng)的代數(shù)運算。
  綜上所述,數(shù)形結(jié)合思想的實質(zhì)是將抽象的數(shù)學(xué)語言和直觀的圖形結(jié)合起來,關(guān)鍵是代數(shù)問題與圖形之間的相互轉(zhuǎn)化。其實也就是化歸思想。它可以使代數(shù)問題幾何化,幾何問題代數(shù)化。當(dāng)然,具體到一個問題到底是用幾何解法還是用代數(shù)解法解決來得比較快、比較準(zhǔn),要根據(jù)具體的題目而定。

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