含多元的數(shù)學問題是高中數(shù)學重要題型之一,也是同學們備感頭疼的棘手題型.一方面,我們面對題中復雜的數(shù)量關(guān)系,難以將其中關(guān)系全部用數(shù)學式子表達出來;另一方面,式子雖然列出來了,但面對這些高次方程組或多元不等式,束手無策,沒有清晰的思路.對于這些問題,我們需要精心設(shè)計一些有利于理解的問題,自主探究,找到解決問題的辦法.
一、函數(shù)問題中的“消元”
例1 (2014年高考江蘇卷,14)若△ABC的內(nèi)角滿足sinA+ sinB=2sinC,則cosC的最小值是_________.
破解 由正弦定理得a+ b=2c,由余弦定理結(jié)合基本不等式有:cosC= = = = - ≥ - = ,當且僅當a= b時等號成立.
反思 本題共含a,b,c三個變量,由題中等式a+ b=2c,代入消元后剩下兩個變量a,b;再由基本不等式,將式子化為只含ab的一元問題了.類似問題在2008年高考江蘇卷中也曾出現(xiàn):x,y,z∈R?鄢,x-2y+3z=0, 的最小值為________.
例2 設(shè)函數(shù)f(x)=ex-ax+a(a∈R),其圖象與x軸交于A(x1,0),B(x2,0)兩點,且x1 (1)求a的取值范圍; (2)證明:f ′ <0(f ′(x)為函數(shù)f(x)的導函數(shù)). 破解:(1)略. (2)因為e -ax1+a=0,e -ax2+a=0,兩式相減得a= . 記 =s(s>0),則f′ =e - = [2s-(es-e-s)]. 設(shè)g(s)=2s-(es-e-s),則g′(s)=2-(es+e-s)<0,所以g(s)是單調(diào)減函數(shù),則有g(shù)(s) 反思:本題第(2)問視 為整體,化二元為一元. 含多個變量求最值或范圍的問題,若從局部出發(fā),看成是幾個不相干的變量來處理,則變量之間的關(guān)系會變得錯綜復雜,“剪不斷理還亂”,因此,需要調(diào)整視角,把一些關(guān)于多個變量的代數(shù)式作為一個有機整體,設(shè)多變元構(gòu)成的整體為“新元”,將“多元”問題改造成“一元”問題. 二、向量問題中的“消元” 例3 已知平面上一定點C(2,0)和直線l:x=8,P為該平面上一動點,作PQ⊥l,垂足為Q,且 + · - =0. 若EF為圓N:x2+(y-1)2=1的任一直徑, · 的最大值和最小值分別為_______. 圖1 破解:由 + - =0得: 2= 2. 設(shè)P(x,y),則(x-2)2+y2= (x-8)2,化簡得 + =1. 所求 · 中含有三個動點:P,E,F(xiàn),動點多,變量多,就像代數(shù)問題里解三元方程組一樣,應(yīng)該想到“消元”. 如圖1, · =( + )·( + )= 2+ ·( + )+ · = 2-1,這樣,化成只含一個動點P,其中N點是定點,問題變成“一元”問題了. 設(shè)P(x,y),則x2=161- =16- y2,y∈[-2 ,2 ],所以 · = 2-1=x2+(y-1)2-1=- y2-2y+16. f(y)=- y2-2y+16=- (y+3)2+19在[-2 ,2 ]上的最大值和最小值分別為:19,12-4 . 反思:仔細分析問題的結(jié)構(gòu)特征,當問題中含有多個變量時,挖掘題目中的特殊條件、結(jié)構(gòu),把其中隱含的關(guān)系顯性化,運用這些關(guān)系,對多變量進行“消元”,直至化成“一元”問題,將多變量問題化為單變量問題,使得問題結(jié)構(gòu)簡單. 三、解析幾何中的“消元” 例4 已知F1,F(xiàn)2分別是橢圓C1: + =1(a>b>0)的上、下焦點,其中F1也是拋物線C2:x2=4y的焦點,點M是C1與C2在第二象限的交點,且MF1= . (1)求橢圓C1的方程; (2)已知點P(1,3)和圓O:x2+y2=b2,過點P的動直線l與圓O相交于不同的兩點A,B,在線段AB上取一點Q,滿足: =-λ , =λ (λ≠0,λ≠±1),求證:點Q總在某定直線上. 破解:(1) + =1. (2)設(shè)A(x ,y ),B(x ,y ),Q(x ,y ),則x +y =3 ①,x +y =3 ②. 由 =-λ 得(1-x1,3-y )= -λ(x2-1,y2-3),所以x1-λx2=1-λ ③,y -λy =3(1-λ) ④. 由 =λ 得(x0-x1,y0-y1)=λ(x2-x0,y2-y0),x1+λx2=(1+λ)x0 ⑤,y +λy =(1+λ)y ⑥. 7個未知數(shù)x1,y1,x2,y2,x0,y0,λ,共6個方程,消去x1,y1,x2,y2,λ等5個未知數(shù)可以得到關(guān)于x0,y0的一個二元一次方程,從而得到結(jié)論. 注意到③~⑥式為一次方程這一結(jié)構(gòu)特點,具體做法是:③×⑤+④×⑥得:(x -λx )+(y -λy )=(1-λ2)x0+3(1-λ2)y0,3(1-λ2)=(1-λ2)(x0+3y0). 因為λ≠±1,所以x0+3y0=3,即點Q總在定直線x+3y-3=0上. 反思:本題包含的未知數(shù)和方程個數(shù)較多,列出變量關(guān)系對我們來說不是難事,但要順利消去未知數(shù),得到只含x ,y 的一個式子,并非易事,這就要求我們心中有清晰的思路,同時找出式子的結(jié)構(gòu)特點,有條不紊地達到消參減元的目的. 四、數(shù)列問題中的“消元” 例5 對于數(shù)列A:a1,a2,…,an,若滿足ai∈{0,1}(i=1,2,3,…,n),則稱數(shù)列A為“0-1數(shù)列”.定義變換T,T將“0-1數(shù)列”A中原有的每個0都變成1,0,原有的每個1都變成0,1. 例如A:1,0,1,則T(A):0,1,1,0,0,1. 設(shè)A0為0,1,令Ak=T(A ),k=1,2, 3,…. 記數(shù)列Ak中連續(xù)兩項都是0的數(shù)對個數(shù)為lk,k=1,2,3,…. 求lk關(guān)于k的表達式. 破解 要數(shù)Ak中“00”數(shù)對個數(shù),依據(jù)變換T的定義,“00”數(shù)對只能是由數(shù)列A 中的“01”數(shù)對變換而來的,所以引入“中間變元”:數(shù)列Ak中“01”的個數(shù),記為bk. 通過bk的牽線搭橋找出lk與bk之間的關(guān)系,然后消去變元bk,從而得到lk的遞推關(guān)系式. 設(shè)數(shù)列Ak中“01”的個數(shù)為bk,則A 中的“00”數(shù)對只能是由數(shù)列Ak中的“01”數(shù)對變換而來的,所以l =bk ①. A 中的“01”數(shù)對是由數(shù)列Ak中的“00”數(shù)對或項“1”變換而來的. 由變換T的定義及A0為0,1可得,Ak中的0和1個數(shù)相等且各為2k個,所以b =lk+2k?搖 ②. 由①②消去bk得,l =b =lk+2k,即l -lk=2k. 因為A1:1,0,0,1;A2:0,1,1,0,1, 0,0,1. 所以l1=l2=1. 所以當k為奇數(shù)時,lk=(lk-l )+(l +l )+…+(l3-l1)+l1=2k-2+2k-4+…+2+1= ;當k為偶數(shù)時,lk=(lk-l )+(l +l )+…+(l4-l2)+l2=2k-2+2k-4+…+22+1= . 綜上得, lk= ,k為奇數(shù), ,k為偶數(shù). 反思 在本題中直接尋找數(shù)列l(wèi)k的遞推關(guān)系式比較困難,仔細分析后發(fā)現(xiàn)“00”個數(shù)與“01”個數(shù)之間相互依存,相互制約. 所以引入“01”個數(shù),通過中間變元的牽線搭橋,理清這些變量的內(nèi)在聯(lián)系,并把它們之間的關(guān)系列出來,然后消去新元,從而得到原問題中的變量之間的關(guān)系. 由上面幾個方面的例子可以發(fā)現(xiàn),多元問題可以和高中眾多的知識點結(jié)合,其解決的原則是:減元消參,簡中求道.
含多元的數(shù)學問題是高中數(shù)學重要題型之一,也是同學們備感頭疼的棘手題型.一方面,我們面對題中復雜的數(shù)量關(guān)系,難以將其中關(guān)系全部用數(shù)學式子表達出來;另一方面,式子雖然列出來了,但面對這些高次方程組或多元不等式,束手無策,沒有清晰的思路.對于這些問題,我們需要精心設(shè)計一些有利于理解的問題,自主探究,找到解決問題的辦法.
一、函數(shù)問題中的“消元”
例1 (2014年高考江蘇卷,14)若△ABC的內(nèi)角滿足sinA+ sinB=2sinC,則cosC的最小值是_________.
破解 由正弦定理得a+ b=2c,由余弦定理結(jié)合基本不等式有:cosC= = = = - ≥ - = ,當且僅當a= b時等號成立.
反思 本題共含a,b,c三個變量,由題中等式a+ b=2c,代入消元后剩下兩個變量a,b;再由基本不等式,將式子化為只含ab的一元問題了.類似問題在2008年高考江蘇卷中也曾出現(xiàn):x,y,z∈R?鄢,x-2y+3z=0, 的最小值為________.
例2 設(shè)函數(shù)f(x)=ex-ax+a(a∈R),其圖象與x軸交于A(x1,0),B(x2,0)兩點,且x1 (1)求a的取值范圍; (2)證明:f ′ <0(f ′(x)為函數(shù)f(x)的導函數(shù)). 破解:(1)略. (2)因為e -ax1+a=0,e -ax2+a=0,兩式相減得a= . 記 =s(s>0),則f′ =e - = [2s-(es-e-s)]. 設(shè)g(s)=2s-(es-e-s),則g′(s)=2-(es+e-s)<0,所以g(s)是單調(diào)減函數(shù),則有g(shù)(s) 反思:本題第(2)問視 為整體,化二元為一元. 含多個變量求最值或范圍的問題,若從局部出發(fā),看成是幾個不相干的變量來處理,則變量之間的關(guān)系會變得錯綜復雜,“剪不斷理還亂”,因此,需要調(diào)整視角,把一些關(guān)于多個變量的代數(shù)式作為一個有機整體,設(shè)多變元構(gòu)成的整體為“新元”,將“多元”問題改造成“一元”問題. 二、向量問題中的“消元” 例3 已知平面上一定點C(2,0)和直線l:x=8,P為該平面上一動點,作PQ⊥l,垂足為Q,且 + · - =0. 若EF為圓N:x2+(y-1)2=1的任一直徑, · 的最大值和最小值分別為_______. 圖1 破解:由 + - =0得: 2= 2. 設(shè)P(x,y),則(x-2)2+y2= (x-8)2,化簡得 + =1. 所求 · 中含有三個動點:P,E,F(xiàn),動點多,變量多,就像代數(shù)問題里解三元方程組一樣,應(yīng)該想到“消元”. 如圖1, · =( + )·( + )= 2+ ·( + )+ · = 2-1,這樣,化成只含一個動點P,其中N點是定點,問題變成“一元”問題了. 設(shè)P(x,y),則x2=161- =16- y2,y∈[-2 ,2 ],所以 · = 2-1=x2+(y-1)2-1=- y2-2y+16. f(y)=- y2-2y+16=- (y+3)2+19在[-2 ,2 ]上的最大值和最小值分別為:19,12-4 . 反思:仔細分析問題的結(jié)構(gòu)特征,當問題中含有多個變量時,挖掘題目中的特殊條件、結(jié)構(gòu),把其中隱含的關(guān)系顯性化,運用這些關(guān)系,對多變量進行“消元”,直至化成“一元”問題,將多變量問題化為單變量問題,使得問題結(jié)構(gòu)簡單. 三、解析幾何中的“消元” 例4 已知F1,F(xiàn)2分別是橢圓C1: + =1(a>b>0)的上、下焦點,其中F1也是拋物線C2:x2=4y的焦點,點M是C1與C2在第二象限的交點,且MF1= . (1)求橢圓C1的方程; (2)已知點P(1,3)和圓O:x2+y2=b2,過點P的動直線l與圓O相交于不同的兩點A,B,在線段AB上取一點Q,滿足: =-λ , =λ (λ≠0,λ≠±1),求證:點Q總在某定直線上. 破解:(1) + =1. (2)設(shè)A(x ,y ),B(x ,y ),Q(x ,y ),則x +y =3 ①,x +y =3 ②. 由 =-λ 得(1-x1,3-y )= -λ(x2-1,y2-3),所以x1-λx2=1-λ ③,y -λy =3(1-λ) ④. 由 =λ 得(x0-x1,y0-y1)=λ(x2-x0,y2-y0),x1+λx2=(1+λ)x0 ⑤,y +λy =(1+λ)y ⑥. 7個未知數(shù)x1,y1,x2,y2,x0,y0,λ,共6個方程,消去x1,y1,x2,y2,λ等5個未知數(shù)可以得到關(guān)于x0,y0的一個二元一次方程,從而得到結(jié)論. 注意到③~⑥式為一次方程這一結(jié)構(gòu)特點,具體做法是:③×⑤+④×⑥得:(x -λx )+(y -λy )=(1-λ2)x0+3(1-λ2)y0,3(1-λ2)=(1-λ2)(x0+3y0). 因為λ≠±1,所以x0+3y0=3,即點Q總在定直線x+3y-3=0上. 反思:本題包含的未知數(shù)和方程個數(shù)較多,列出變量關(guān)系對我們來說不是難事,但要順利消去未知數(shù),得到只含x ,y 的一個式子,并非易事,這就要求我們心中有清晰的思路,同時找出式子的結(jié)構(gòu)特點,有條不紊地達到消參減元的目的. 四、數(shù)列問題中的“消元” 例5 對于數(shù)列A:a1,a2,…,an,若滿足ai∈{0,1}(i=1,2,3,…,n),則稱數(shù)列A為“0-1數(shù)列”.定義變換T,T將“0-1數(shù)列”A中原有的每個0都變成1,0,原有的每個1都變成0,1. 例如A:1,0,1,則T(A):0,1,1,0,0,1. 設(shè)A0為0,1,令Ak=T(A ),k=1,2, 3,…. 記數(shù)列Ak中連續(xù)兩項都是0的數(shù)對個數(shù)為lk,k=1,2,3,…. 求lk關(guān)于k的表達式. 破解 要數(shù)Ak中“00”數(shù)對個數(shù),依據(jù)變換T的定義,“00”數(shù)對只能是由數(shù)列A 中的“01”數(shù)對變換而來的,所以引入“中間變元”:數(shù)列Ak中“01”的個數(shù),記為bk. 通過bk的牽線搭橋找出lk與bk之間的關(guān)系,然后消去變元bk,從而得到lk的遞推關(guān)系式. 設(shè)數(shù)列Ak中“01”的個數(shù)為bk,則A 中的“00”數(shù)對只能是由數(shù)列Ak中的“01”數(shù)對變換而來的,所以l =bk ①. A 中的“01”數(shù)對是由數(shù)列Ak中的“00”數(shù)對或項“1”變換而來的. 由變換T的定義及A0為0,1可得,Ak中的0和1個數(shù)相等且各為2k個,所以b =lk+2k?搖 ②. 由①②消去bk得,l =b =lk+2k,即l -lk=2k. 因為A1:1,0,0,1;A2:0,1,1,0,1, 0,0,1. 所以l1=l2=1. 所以當k為奇數(shù)時,lk=(lk-l )+(l +l )+…+(l3-l1)+l1=2k-2+2k-4+…+2+1= ;當k為偶數(shù)時,lk=(lk-l )+(l +l )+…+(l4-l2)+l2=2k-2+2k-4+…+22+1= . 綜上得, lk= ,k為奇數(shù), ,k為偶數(shù). 反思 在本題中直接尋找數(shù)列l(wèi)k的遞推關(guān)系式比較困難,仔細分析后發(fā)現(xiàn)“00”個數(shù)與“01”個數(shù)之間相互依存,相互制約. 所以引入“01”個數(shù),通過中間變元的牽線搭橋,理清這些變量的內(nèi)在聯(lián)系,并把它們之間的關(guān)系列出來,然后消去新元,從而得到原問題中的變量之間的關(guān)系. 由上面幾個方面的例子可以發(fā)現(xiàn),多元問題可以和高中眾多的知識點結(jié)合,其解決的原則是:減元消參,簡中求道.
含多元的數(shù)學問題是高中數(shù)學重要題型之一,也是同學們備感頭疼的棘手題型.一方面,我們面對題中復雜的數(shù)量關(guān)系,難以將其中關(guān)系全部用數(shù)學式子表達出來;另一方面,式子雖然列出來了,但面對這些高次方程組或多元不等式,束手無策,沒有清晰的思路.對于這些問題,我們需要精心設(shè)計一些有利于理解的問題,自主探究,找到解決問題的辦法.
一、函數(shù)問題中的“消元”
例1 (2014年高考江蘇卷,14)若△ABC的內(nèi)角滿足sinA+ sinB=2sinC,則cosC的最小值是_________.
破解 由正弦定理得a+ b=2c,由余弦定理結(jié)合基本不等式有:cosC= = = = - ≥ - = ,當且僅當a= b時等號成立.
反思 本題共含a,b,c三個變量,由題中等式a+ b=2c,代入消元后剩下兩個變量a,b;再由基本不等式,將式子化為只含ab的一元問題了.類似問題在2008年高考江蘇卷中也曾出現(xiàn):x,y,z∈R?鄢,x-2y+3z=0, 的最小值為________.
例2 設(shè)函數(shù)f(x)=ex-ax+a(a∈R),其圖象與x軸交于A(x1,0),B(x2,0)兩點,且x1 (1)求a的取值范圍; (2)證明:f ′ <0(f ′(x)為函數(shù)f(x)的導函數(shù)). 破解:(1)略. (2)因為e -ax1+a=0,e -ax2+a=0,兩式相減得a= . 記 =s(s>0),則f′ =e - = [2s-(es-e-s)]. 設(shè)g(s)=2s-(es-e-s),則g′(s)=2-(es+e-s)<0,所以g(s)是單調(diào)減函數(shù),則有g(shù)(s) 反思:本題第(2)問視 為整體,化二元為一元. 含多個變量求最值或范圍的問題,若從局部出發(fā),看成是幾個不相干的變量來處理,則變量之間的關(guān)系會變得錯綜復雜,“剪不斷理還亂”,因此,需要調(diào)整視角,把一些關(guān)于多個變量的代數(shù)式作為一個有機整體,設(shè)多變元構(gòu)成的整體為“新元”,將“多元”問題改造成“一元”問題. 二、向量問題中的“消元” 例3 已知平面上一定點C(2,0)和直線l:x=8,P為該平面上一動點,作PQ⊥l,垂足為Q,且 + · - =0. 若EF為圓N:x2+(y-1)2=1的任一直徑, · 的最大值和最小值分別為_______. 圖1 破解:由 + - =0得: 2= 2. 設(shè)P(x,y),則(x-2)2+y2= (x-8)2,化簡得 + =1. 所求 · 中含有三個動點:P,E,F(xiàn),動點多,變量多,就像代數(shù)問題里解三元方程組一樣,應(yīng)該想到“消元”. 如圖1, · =( + )·( + )= 2+ ·( + )+ · = 2-1,這樣,化成只含一個動點P,其中N點是定點,問題變成“一元”問題了. 設(shè)P(x,y),則x2=161- =16- y2,y∈[-2 ,2 ],所以 · = 2-1=x2+(y-1)2-1=- y2-2y+16. f(y)=- y2-2y+16=- (y+3)2+19在[-2 ,2 ]上的最大值和最小值分別為:19,12-4 . 反思:仔細分析問題的結(jié)構(gòu)特征,當問題中含有多個變量時,挖掘題目中的特殊條件、結(jié)構(gòu),把其中隱含的關(guān)系顯性化,運用這些關(guān)系,對多變量進行“消元”,直至化成“一元”問題,將多變量問題化為單變量問題,使得問題結(jié)構(gòu)簡單. 三、解析幾何中的“消元” 例4 已知F1,F(xiàn)2分別是橢圓C1: + =1(a>b>0)的上、下焦點,其中F1也是拋物線C2:x2=4y的焦點,點M是C1與C2在第二象限的交點,且MF1= . (1)求橢圓C1的方程; (2)已知點P(1,3)和圓O:x2+y2=b2,過點P的動直線l與圓O相交于不同的兩點A,B,在線段AB上取一點Q,滿足: =-λ , =λ (λ≠0,λ≠±1),求證:點Q總在某定直線上. 破解:(1) + =1. (2)設(shè)A(x ,y ),B(x ,y ),Q(x ,y ),則x +y =3 ①,x +y =3 ②. 由 =-λ 得(1-x1,3-y )= -λ(x2-1,y2-3),所以x1-λx2=1-λ ③,y -λy =3(1-λ) ④. 由 =λ 得(x0-x1,y0-y1)=λ(x2-x0,y2-y0),x1+λx2=(1+λ)x0 ⑤,y +λy =(1+λ)y ⑥. 7個未知數(shù)x1,y1,x2,y2,x0,y0,λ,共6個方程,消去x1,y1,x2,y2,λ等5個未知數(shù)可以得到關(guān)于x0,y0的一個二元一次方程,從而得到結(jié)論. 注意到③~⑥式為一次方程這一結(jié)構(gòu)特點,具體做法是:③×⑤+④×⑥得:(x -λx )+(y -λy )=(1-λ2)x0+3(1-λ2)y0,3(1-λ2)=(1-λ2)(x0+3y0). 因為λ≠±1,所以x0+3y0=3,即點Q總在定直線x+3y-3=0上. 反思:本題包含的未知數(shù)和方程個數(shù)較多,列出變量關(guān)系對我們來說不是難事,但要順利消去未知數(shù),得到只含x ,y 的一個式子,并非易事,這就要求我們心中有清晰的思路,同時找出式子的結(jié)構(gòu)特點,有條不紊地達到消參減元的目的. 四、數(shù)列問題中的“消元” 例5 對于數(shù)列A:a1,a2,…,an,若滿足ai∈{0,1}(i=1,2,3,…,n),則稱數(shù)列A為“0-1數(shù)列”.定義變換T,T將“0-1數(shù)列”A中原有的每個0都變成1,0,原有的每個1都變成0,1. 例如A:1,0,1,則T(A):0,1,1,0,0,1. 設(shè)A0為0,1,令Ak=T(A ),k=1,2, 3,…. 記數(shù)列Ak中連續(xù)兩項都是0的數(shù)對個數(shù)為lk,k=1,2,3,…. 求lk關(guān)于k的表達式. 破解 要數(shù)Ak中“00”數(shù)對個數(shù),依據(jù)變換T的定義,“00”數(shù)對只能是由數(shù)列A 中的“01”數(shù)對變換而來的,所以引入“中間變元”:數(shù)列Ak中“01”的個數(shù),記為bk. 通過bk的牽線搭橋找出lk與bk之間的關(guān)系,然后消去變元bk,從而得到lk的遞推關(guān)系式. 設(shè)數(shù)列Ak中“01”的個數(shù)為bk,則A 中的“00”數(shù)對只能是由數(shù)列Ak中的“01”數(shù)對變換而來的,所以l =bk ①. A 中的“01”數(shù)對是由數(shù)列Ak中的“00”數(shù)對或項“1”變換而來的. 由變換T的定義及A0為0,1可得,Ak中的0和1個數(shù)相等且各為2k個,所以b =lk+2k?搖 ②. 由①②消去bk得,l =b =lk+2k,即l -lk=2k. 因為A1:1,0,0,1;A2:0,1,1,0,1, 0,0,1. 所以l1=l2=1. 所以當k為奇數(shù)時,lk=(lk-l )+(l +l )+…+(l3-l1)+l1=2k-2+2k-4+…+2+1= ;當k為偶數(shù)時,lk=(lk-l )+(l +l )+…+(l4-l2)+l2=2k-2+2k-4+…+22+1= . 綜上得, lk= ,k為奇數(shù), ,k為偶數(shù). 反思 在本題中直接尋找數(shù)列l(wèi)k的遞推關(guān)系式比較困難,仔細分析后發(fā)現(xiàn)“00”個數(shù)與“01”個數(shù)之間相互依存,相互制約. 所以引入“01”個數(shù),通過中間變元的牽線搭橋,理清這些變量的內(nèi)在聯(lián)系,并把它們之間的關(guān)系列出來,然后消去新元,從而得到原問題中的變量之間的關(guān)系. 由上面幾個方面的例子可以發(fā)現(xiàn),多元問題可以和高中眾多的知識點結(jié)合,其解決的原則是:減元消參,簡中求道.