分类讨论思想的应用

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  分类讨论思想是常用的思想方法,是重要的数学思想,是一种逻辑方法。在解决数学问题时,通过正确的分类,可以使复杂问题得到清晰、完整、严密的解答,它体现了化整为零、积零为整的思想和归类整理的方法。分类的原则是:(1)分类对象的确定,标准要统一;(2)不重复、不遗漏;(3)分层次,不越级讨论。分类的步骤是:(1)确定讨论对象和全域;(2)科学分类;(3)逐步讨论;(4)归纳小结,整合得出的结论。现根据引起分类讨论的要素阐述分类讨论思想的应用。
  一、由定理,公式的条件引起的分类讨论
  有的概念本身是分类的,如绝对值、直线的斜率、指数函数、对数函数;有的数学定理、公式、性质是分类给出的,在不同的条件下结论是不一样的,如等比数列的前n项和公式、函数的单调性等。
  侧,函数f(x)=ax-a-x(a>0且n≠1)是定义在R上的奇函数。若 且 在 上的最小值为-2,求实数m的值。
  解析:由 ,得 ,即 ,解得 (舍去)或a=2。
  令 ,则
  在R上单调递增。
  由x≥l,得 。
  若 ,则当t-m时,h(t)取得最小值-2,即 ,故m=2。
  若 ,则当 时,h(t)取得最小值-2,即 ,应舍去。
  综上所述,m=2。
  二.由参数变化引起的分类讨论
  某些含有参数的问题,如含参数的方程、不等式问题,由于参数的取值范围的不同会导致所得的结果不同,或对于不同的参数要运用不同的求解或证明方法。
  侧2设函数 ,其中ab≠o,试讨论函数f(x)的极值的情况。
  解析:f(z)的定义域为 ,
  (1)当ab>0时,如果a>0,b>0,则f’(x)>0,故f(x)在 上单调递增;如果a<0,b<0,则f’(x)<0,故f(x)在 上单调递减。故当ab>0时,函数f(x)无极值。
  (2)当 ab  ①当a>0、b<0时,f(x)、f’(x)随x的变化情况如表1所示。
  由表1可以看出:函数f(x)有且只有一个极小值点,极小值为 。
  ②当a<0、b>0时,f(x)、f’(x)随x的变化情况如表2所示。
  由表2可以看出:函数,(x)有且只有一个极大值点,极大值为 。
  综上所述,当ab>0时,函数f(x)没有极值;当a>O、b<0时,函数f(x)只有一个极小值,为 ;当a0时,函数f(x)只有一个极大值,为 。
  三,由数学的运算要求引起的分类讨论
  有些数学运算有一定的要求,如除法运算中除数不为0,偶次方根为非负数,对数中的真数与底数的要求,指数中的底数的要求等,解题时要进行分类讨论。
  例3 集合M={b|3-|x-l|-b l=0有实数解), 在 上单调递增)。设 ,且定义在R上的奇函数 在D内没有最小值,则m的取值范围是
  。 解析:M={b|l  由 是定义在R上的奇函数,得
  ,则 ,故
  (1)若m≤0,易得函数f (x)在D内单调递减,则函数f(x)在右端点 处取得最小值,不合题意。
  (2)若m>0,令 ,则 在D内没有最小值可转化为h(x)在D内没有最大值。下面对h(x)在D内的最大值进行研究。 。令h’(x)>o,可得 令h’(x)  ①当 ,即 时,函数h(x)在D内单调递减,不存在最大值,符合题意。
  ②当 ,即m≤1时,函数h(z)在D内单调递增,存在最大值 ,不符合题意。
  ③当 ,即 时,函数h(x)在()上单调递减,在 上单调递增,必须有 成立,才能满足函数h(x)在D内没有最大值。由 ,得 ,解 得 。
  综上所述,m的取值范围是 。
  四.由图形的不确定引起的分类讨论
  例4 设函数 。
  (1)当a=2、b=3时,画出函数f(x)的图像,并求出函数f(x)的零点。
  (2)设b=-2,且对任意x∈[-1,1],f(x)  解析:(1)当a=2、b=3时,函数f(x)=(x-2).|x| 3的解析式可化为: 。函数f(x)的图像如图1所示。当x≥O时,由f(x)=0,得X2-2x 3=0,此时方程f(x)=0无实根。
  当x<0时,由f(x)=0,得X2-2x-3=O,解得x=3(舍去)或x=-1。
  当a=2、b=3时,函数f(x)的零点为x=-1。
  (2)当b=-2时,由f(x)<0,得(x-a)|x|<2。
  当x=0时,a取任意实数,不等式(x-a)|x|<2恒成立。
  当O-1。
  当-1≤x<0时,不等式(x-a)|x|<2可化为 。令 。易得h(x)在[-1,0)上单调递减,则h(x)在[-1,0)上的最大值为h(-1)=-3,故a> -3。
  综上所述,a>-1。
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