必要条件,数学解题的一把利剑

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  我们知道,数学解题是从已知向未知不断等价转化的过程,要寻求使结论成立的充要条件,但是这个过程常常非常艰难,高中数学中含参问题经常需要分类讨论,在解题中巧妙应用逻辑方法,先寻求使结论成立的必要条件,逐步缩小“包围圈”,常常可以避免“大规模”的分类讨论;应用这种方法可以减少运算量,达到驾简驭繁的目的,从而提高解题效率,提升解题能力.
  一、 利用必要条件缩小参数范围,减少分类情况
  例1 (2008江苏高考)f(x)=ax3-3x+1对于x∈[-1,1]总有f(x)≥0成立,则a=.
  常规解法如下:
  解析:本小题考查函数单调性及恒成立问题的综合运用,体现了分类讨论的数学思想.
  要使f(x)≥0恒成立,只要f(x)min≥0在x∈[-1,1]上恒成立.
  f′(x)=3ax2-3=3(ax2-1)
  1° 当a=0时,f(x)=-3x+1,所以f(x)min=-2<0,不符合题意,舍去.
  2° 当a<0时,f′(x)=3ax2-3=3(ax2-1)<0,即f(x)单调递减,f(x)min=f(1)=a-2≥0a≥2,舍去.
  3° 当a>0时f′(x)=0x=±1a
  ① 若1a≤1a≥1时f(x)在-1,-1a和1a,1上单调递增,
  在-1a,1a上单调递减.
  所以f(x)min=minf(-1),f1a≥0f(-1)=-a+4≥0
  f1a=1-21a≥0a=4
  ② 当1a>1a<1时f(x)在x∈[-1,1]上单调递减,
  f(x)min=f(1)=a-2≥0a≥2,不符合题意,舍去.综上可知a=4.
  若是先找结论成立的必要条件,要使f(x)=ax3-3x+1对于x∈[-1,1]总有f(x)≥0成立,则必须f(-1)≥0
  f(1)≥0得2≤a≤4,这就限定了a只能是正数,无需对a是负数或零进行讨论.此时要使不等式恒成立,只需函数在[-1,1]上的极小值大于等于0.而f′(x)=3ax2-3=3ax2-1a
  ,因为2≤a≤4,所以14≤1a≤12,由f′(x)=0易得函数的极小值点是x=1a,由
  f1a≥0,
  即f1a3-31a+1≥0,解得a≥4,又2≤a≤4,故a=4.了了几行,简洁明快,充分体现了运用逻辑思维解题的辩证性,灵巧性.
  练习1:已知t是常数,函数f(x)=|x2-2x-t|在区间上[0,3]的最大值为2,则t=.
  按常规思路,应分情况讨论函数f(x)在[0,3]的最大值,令最大值等于2,解方程得t.
  但是函数f(x)的图像比较复杂,要分几类情况讨论才能确定最大值.注意到二次函数的对称轴在区间[0,3]内,故使函数f(x)在[0,3]的最大值为2的必要条件是函数在对称轴及两端点处的值均小于等于2.得不等式组f(0)=|t|≤2
  f(3)=|3-t|≤2
  f(1)=|-1-t|≤2,解之得t=1,经检验符合条件.
  练习2:(2012扬州市期中调研)已知函数f(x)=x+ax,当x∈[1,3]时,f(x)的值域为A,且A[n,m](n  (1) 若a=1,求m-n的最小值;
  (2) 若m=1,n=8,求a的值;
  (3) 若m-n≤1,且A=[n,m],求a的取值范围.
  (2) 由题意,当x∈[1,3]时,f(x)的值域A[8,16],则必有8≤f(1)≤16
  8≤f(3)≤16即
  8≤1+a≤16
  8≤3+a3≤16解得a=15,此时f(x)=x+15x,x∈[1,3],值域恰好为[8,16].
  (3) 由题意必有|f(1)-f(3)|≤1,解得32≤a≤3,则极值点a在区间[1,3]内,f(x)在(1,a)单调递减,在(a,3)单调递减,要使条件成立,只需f(1)-f(a)≤1或f(3)-f(a)≤1,解得12-63≤a≤4.运用寻求必要条件的方法,这两题都不需讨论,大大简化了解题过程,节约了考试时间,这恐怕是命题者始料未及的.
  二、 利用必要条件转化陌生问题为常见题型
  例2 (2010江苏高考9)在平面直角坐标系xOy中,已知圆x2+y2=4上有且只有四个点到直线l:12x-5y+c=0的距离为1,求实数c的取值范围.
  直接确定圆上有四个点到一条直线的距离为1比较棘手,若撇开圆,只考虑到一条直线距离为1的点会有无数个,略一思考,就会发现它们分布在已知直线两侧与已知直线平行且距离为1的两条直线l1,l2上,圆上有四个点到一条直线的距离为1转化为圆与这两条直线有四个交点,即圆与两条直线都相交.
  设圆心到已知直线l的距离为d,由条件可知,两条直线l1,l2分布在l的两侧,圆心在l1,l2之间,故圆心到直线l1,l2的距离必为d+1和1-d,利用直线与圆相交的条件得
  1+d<2
  1-d<2,得d<1,即|c|122+52<1,解得-13  通过寻求必要条件,问题转化为直线圆相交这一常见题型.
  练习3:在直角坐标平面内,与点A(1,2)的距离为1,且与点B(3,1)的距离为2的直线共有几条?
  三、 利用必要条件解全称命题,减少含参方程或不等式的运算量
  例3 (2000高考理)已知数列{cn},其中cn=2n+3n,且数列{cn+1-pcn}为等比数列,求常数p.
  常规解法如下:
  解:因为{cn+1-pcn}是等比数列,故有
  (cn+1-pcn)2=(cn+2-pcn+1)(cn-pcn-1),
  将cn=2n+3n代入上式,得
  [2n+1+3n+1-p(2n+3n)]2
  =[2n+1+3n+1-p(2n+1+3n+1)]2•[2n+3n-p(2n-1+3n-1)],
  即[(2-p)2n+(3-p)3n]2
  =[(2-p)2n+1+(3-p)3n+1][(2-p)2n-1+(3-p)3n-1],
  整理得16(2-p)(3-p)•2n•3n=0 ,
  解得p=2或p=3.
  此法费时费力,对运算能力不强的学生是严峻的考验.但换一种思维,先找结论成立的必要条件,即欲使数列{cn+1-pcn}为等比数列,则其前三项必为等比数列.因为cn+1-pcn=(2-p)2n+(3-p)3n,所以有
  [(2-p)4+(3-p)9]2=[(2-p)2+(3-p)3][(2-p)8+(3-p)27]易解得
  p=2或p=3.p=2时,cn+1-pcn=3n ,显然为等比数列,同理,可检验p=3时,cn+1-pcn=2n也为等比数列.
  当然,这种方法解全称命题时必须要进行检验.
  练习4:已知数列Sn=2n2-n,是否存在常数k,使数列{Sn+kn}为等差数列,若存在,求出常数k,若不存在,请说明理由.
  其实我们在解题中经常被迫用这种方法.比如,解对数方程lga=lgb,先得到a=b,而a=b只是lga=lgb的必要条件,而非充要条件.已知函数y=f(x)在x=1处取极值,我们能得到f′(1)=0,而这也只是函数在此处取极值的必要条件,要保证充分性,还需检验.
  这是一种以退为进的策略,当若干条件不能兼顾时,先满足部分条件,找到问题的突破口,使解题得以顺利推进.也是先估后算策略的体现,对整体的情况有一个预估,在“茫茫大海”中圈定一个“范围”,有利于解题目标的定向,提高解题效率.在掌握通性通法的基础上,经常进行思维策略的训练,将会提高学生解题的灵活性,深刻性,运算的简洁性,从而提高解题能力.
  (责任编辑:沈书龙)
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