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对称问题是中学数学中常见的一类问题,它涉及函数、不等式、数列、排列组合、解析几何、立体几何等诸多内容。对称变换思想也是一种常用的数学思想方法,是近几年高考考查的热点问题之一。
一、函数中的对称问题
根据函数的奇偶性、周期性、光的反射定理、互为反函数图像的性质等所具有的对称性,进行高考命题。
例1(97年全国高考题),将y=2x的图像( ),再作关于直线y=x对称的图像,可以得到y=log2(x+1)的图像。
A、先向左平行移动1个单位
B、先向右平行移动1个单位
C、先向上平行移动1个单位
D、先向下平行移动1个单位
解析:y=log2(x+1)反函数是y=2x-1,我们只需把y=2x的图像向下平移一个单位,即可获得y=2x-1的图像,再作y=2x-1关于直线y=x对称的图像即可获得y=log2(x+1)的图像,故选D。
例2(2002年上海高考题),设函数f(x)=sin2x,若f(x+t)是偶函数,则t的一个可能值是______。
解:由f(x+t)是偶函数知,对称轴是y轴。
又f(x+t)=sin(2x+2t),由正弦函数对称轴,知:
2×0+2t=kπ+ (k∈z)
即t= + =π(k∈z)
则t的可能值为: , , ,…,π(k∈z)
二、不等式中的对称问题
根据不等式条件或求证式子结构两端的对称性,考虑将证式肢解,简化为先证一个二元齐次不等式,当可类推获另两个,以拼凑成证式。
例3,已知a、b、c均为正数,求证:aabbcc≥(abc)。
证明:先证aabb≥(ab)①
∵
因此,无论a≥b还是a 同理可证:bbcc≥(bc) ②
ccaa≥(ca)③
将①②③三式相乘,整理,得aabbcc≥(abc)。
进而可推广到:
若:a1,a2,a3,…,an均为正数,则:≥
(a1a2a3…an)。
三、 数列中的对称问题
根据等差(或等比)数列距两边等距离两项和(或积)相等的对称性,可巧妙设元,减少运算量。
例4(90年全国高考题),有四个数,其中前三个数成等差数列,后三个数成等比数列,并且第一个数与第四个数的和是16,第二个数与第三个数的和是12,求这四个数。
解:设前三个数依次为a-d、a、a+d,则第四个数是
,依题意有 。解之得 或
a=9
d=-6
四、排列﹑组合中的对称问题
根据所排元素位置或组合数性质的对称性特点,可巧妙解决问题。
例5(93年全国高考题),同室四人各写一张贺年片,先集中起来,然后每人从中拿一张别人送出的贺年片,则四张贺年片不同的分配方式有( )。
A、6种B、9种C、11种D、23种
解:给宿舍四人分别编号为1、2、3、4,其对应贺年片编号也为1、2、3、4,则编号为1的人拿2号贺年片可列出图表,根据对称性,得 3×3=9种,故应选B。
例6(2001年杭州市),A、B、C、D、E五人并排站成一排,若B必须站在A的右边(A,B可以不相邻),那么不同排法共有( )。
A、24种B、60种C、90种D、120种
解:A、B、C、D、E五人站成一排,共有A55种,因B在A的右边或左边对称,故B必须站A的右边的站法有 A55=60种,故应选B。
五、立体几何中的对称问题
可采用对称变换调整元素间的结构,或通过形象补形(轴对称、中心对称、镜面对称)而连成对称.
例7,在棱长为1的正方体ABCD-A1B1C1D1中,E是棱BB1的中点,P是截面ABC1D1上的一动点,则A1P+PE的最小值为______。
解:如右图所示,因点A1与点D关于平面ABC1D1对称;
所以A1P=PD,∴A1P+PE=PD+PE≥DE,仅当点P为DE与平面ABC1D1的交点时,等号成立。
在Rt△DBE中DE= DB2+BE2= 2+ = ,
即A1P+PE 的最小值为 。
例8,如右图,正四棱锥S-ABCD的所有棱长都相等,过底面对角线AC作平行于侧棱SB的截面交SD于E,求直线BC与平面EAC所成角的大小。
解析:因AD∥BC,所以BC与平面EAC所成的角和AD与平面EAC所成的角关于平面EAC对称,故可转化为求AD与平面EAC所成的角。
连结BD,交AC于点O,则平面SBD⊥平面EAC。
连结OE,过点D作DF⊥OE,则DF⊥平面EAC。
连结AF,则∠DAF就是AD与平面EAC所成的角。
设AB=a,则SO=a;∴S△SBD=2aa= a2。
又S△DOE= S△SBD,∴DF= a。
在Rt△ADF中,sin∠DAF== ,∴∠DAF=30°,即直线BC与平面EAC所成的角为30°。
六、解析几何中的对称问题
例9 (94年全国高考题),已知直线L过坐标原点,抛物线C的顶点在原点,焦点在x轴的正半轴上,若点A(-1,0)和点B(0,8)关于L的对称点都在C上,求直线L和抛物线C的方程。
解:设抛物线C:y2=2px(p>0)关于直线L的对称抛物线为C′,M′(x,y)为C′上的任一点,则可求得M′(x,y)关于直线L:y=kx的对称点M(xo,yo),则,因
M(xo,yo)在抛物线C上,∴yo2=2pxo。
这就是M′所在抛物线C′的方程,显然A、B都在抛物线C′上,故有 ,
两式相除,得()3=1,
∴k2-k-1=0。
∵k>0,∴k= ,2p==。
所以,直线L的方程为 x,抛物线C的方程为y2=x。
例10(2002年全国高考题),设点P到M(-1,0)、N(1,0)距离之差为2m,到x轴、y轴距离之比为2,求m的取值范围。
解:设p(x,y),则 =2(x≠0)。由2m=|PM|-|PN|
得:2m= 5x2+2x+1- 5x2-2x+1,
即
= (x+ )2+(0- )2- (x- )2+(0+ )2
问题转化为求动点Q(x,0)(x≠0)与两点关于y轴的对称点A(- , )、B( , )距离之差d的取值范围。如右图所示,x→+∞时,|QA|-|QB|→|AB|,
即d→ 。
依对称性,当x→-∞时,d→- 。
即- 又∵x≠0,即点Q不能与原点O重合,∴d≠0,即m≠0,
∴所求m的取值范围为:(-,0)∪(0,)。
对称变换思想在解题中的应用,还可做更多的探讨,本文不再赘述。
一、函数中的对称问题
根据函数的奇偶性、周期性、光的反射定理、互为反函数图像的性质等所具有的对称性,进行高考命题。
例1(97年全国高考题),将y=2x的图像( ),再作关于直线y=x对称的图像,可以得到y=log2(x+1)的图像。
A、先向左平行移动1个单位
B、先向右平行移动1个单位
C、先向上平行移动1个单位
D、先向下平行移动1个单位
解析:y=log2(x+1)反函数是y=2x-1,我们只需把y=2x的图像向下平移一个单位,即可获得y=2x-1的图像,再作y=2x-1关于直线y=x对称的图像即可获得y=log2(x+1)的图像,故选D。
例2(2002年上海高考题),设函数f(x)=sin2x,若f(x+t)是偶函数,则t的一个可能值是______。
解:由f(x+t)是偶函数知,对称轴是y轴。
又f(x+t)=sin(2x+2t),由正弦函数对称轴,知:
2×0+2t=kπ+ (k∈z)
即t= + =π(k∈z)
则t的可能值为: , , ,…,π(k∈z)
二、不等式中的对称问题
根据不等式条件或求证式子结构两端的对称性,考虑将证式肢解,简化为先证一个二元齐次不等式,当可类推获另两个,以拼凑成证式。
例3,已知a、b、c均为正数,求证:aabbcc≥(abc)。
证明:先证aabb≥(ab)①
∵
因此,无论a≥b还是a 同理可证:bbcc≥(bc) ②
ccaa≥(ca)③
将①②③三式相乘,整理,得aabbcc≥(abc)。
进而可推广到:
若:a1,a2,a3,…,an均为正数,则:≥
(a1a2a3…an)。
三、 数列中的对称问题
根据等差(或等比)数列距两边等距离两项和(或积)相等的对称性,可巧妙设元,减少运算量。
例4(90年全国高考题),有四个数,其中前三个数成等差数列,后三个数成等比数列,并且第一个数与第四个数的和是16,第二个数与第三个数的和是12,求这四个数。
解:设前三个数依次为a-d、a、a+d,则第四个数是
,依题意有 。解之得 或
a=9
d=-6
四、排列﹑组合中的对称问题
根据所排元素位置或组合数性质的对称性特点,可巧妙解决问题。
例5(93年全国高考题),同室四人各写一张贺年片,先集中起来,然后每人从中拿一张别人送出的贺年片,则四张贺年片不同的分配方式有( )。
A、6种B、9种C、11种D、23种
解:给宿舍四人分别编号为1、2、3、4,其对应贺年片编号也为1、2、3、4,则编号为1的人拿2号贺年片可列出图表,根据对称性,得 3×3=9种,故应选B。
例6(2001年杭州市),A、B、C、D、E五人并排站成一排,若B必须站在A的右边(A,B可以不相邻),那么不同排法共有( )。
A、24种B、60种C、90种D、120种
解:A、B、C、D、E五人站成一排,共有A55种,因B在A的右边或左边对称,故B必须站A的右边的站法有 A55=60种,故应选B。
五、立体几何中的对称问题
可采用对称变换调整元素间的结构,或通过形象补形(轴对称、中心对称、镜面对称)而连成对称.
例7,在棱长为1的正方体ABCD-A1B1C1D1中,E是棱BB1的中点,P是截面ABC1D1上的一动点,则A1P+PE的最小值为______。
解:如右图所示,因点A1与点D关于平面ABC1D1对称;
所以A1P=PD,∴A1P+PE=PD+PE≥DE,仅当点P为DE与平面ABC1D1的交点时,等号成立。
在Rt△DBE中DE= DB2+BE2= 2+ = ,
即A1P+PE 的最小值为 。
例8,如右图,正四棱锥S-ABCD的所有棱长都相等,过底面对角线AC作平行于侧棱SB的截面交SD于E,求直线BC与平面EAC所成角的大小。
解析:因AD∥BC,所以BC与平面EAC所成的角和AD与平面EAC所成的角关于平面EAC对称,故可转化为求AD与平面EAC所成的角。
连结BD,交AC于点O,则平面SBD⊥平面EAC。
连结OE,过点D作DF⊥OE,则DF⊥平面EAC。
连结AF,则∠DAF就是AD与平面EAC所成的角。
设AB=a,则SO=a;∴S△SBD=2aa= a2。
又S△DOE= S△SBD,∴DF= a。
在Rt△ADF中,sin∠DAF== ,∴∠DAF=30°,即直线BC与平面EAC所成的角为30°。
六、解析几何中的对称问题
例9 (94年全国高考题),已知直线L过坐标原点,抛物线C的顶点在原点,焦点在x轴的正半轴上,若点A(-1,0)和点B(0,8)关于L的对称点都在C上,求直线L和抛物线C的方程。
解:设抛物线C:y2=2px(p>0)关于直线L的对称抛物线为C′,M′(x,y)为C′上的任一点,则可求得M′(x,y)关于直线L:y=kx的对称点M(xo,yo),则,因
M(xo,yo)在抛物线C上,∴yo2=2pxo。
这就是M′所在抛物线C′的方程,显然A、B都在抛物线C′上,故有 ,
两式相除,得()3=1,
∴k2-k-1=0。
∵k>0,∴k= ,2p==。
所以,直线L的方程为 x,抛物线C的方程为y2=x。
例10(2002年全国高考题),设点P到M(-1,0)、N(1,0)距离之差为2m,到x轴、y轴距离之比为2,求m的取值范围。
解:设p(x,y),则 =2(x≠0)。由2m=|PM|-|PN|
得:2m= 5x2+2x+1- 5x2-2x+1,
即
= (x+ )2+(0- )2- (x- )2+(0+ )2
问题转化为求动点Q(x,0)(x≠0)与两点关于y轴的对称点A(- , )、B( , )距离之差d的取值范围。如右图所示,x→+∞时,|QA|-|QB|→|AB|,
即d→ 。
依对称性,当x→-∞时,d→- 。
即-
∴所求m的取值范围为:(-,0)∪(0,)。
对称变换思想在解题中的应用,还可做更多的探讨,本文不再赘述。