高中数学的数形结合思想方法全讲解例题巩固测试.docx
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1、数形结合的思想方法(1)-讲解篇一、 学问要点概述数及形是数学中两个最古老、最根本的元素,是数学大厦深处的两块基石,全部的数学问题都是围绕数和形的提炼、演化、开展而绽开的:每一个几何图形中都隐藏着肯定的数量关系,而数量关系又常常可以通过图形的直观性作出形象的描绘。因此,在解决数学问题时,常常根据数学问题的条件和结论之间的内在联络,将数的问题利用形来视察,提示其几何意义;而形的问题也常借助数去思索,分析其代数含义,如此将数量关系和空间形式奇妙地结合起来,并充分利用这种“结合”,找寻解题思路,使问题得到解决的方法,简言之,就是把数学问题中的数量关系和空间形式相结合起来加以考察的处理数学问题的方法,
2、称之为数形结合的思想方法。数形结合是一个数学思想方法,包含“以形助数”和“以数辅形”两个方面,其应用大致可以分为两种情形:或者是借助形的生动和直观性来说明数之间的联络,即以形作为手段,数为目的,比方应用函数的图像来直观地说明函数的性质;或者是借助于数的准确性和标准严密性来说明形的某些属性,即以数作为手段,形作为目的,如应用曲线的方程来准确地说明曲线的几何性质。数形结合的思想,其本质是将抽象的数学语言及直观的图像结合起来,关键是代数问题及图形之间的互相转化,它可以使代数问题几何化,几何问题代数化。在运用数形结合思想分析和解决问题时,要留意三点:第一要彻底明白一些概念和运算的几何意义以和曲线的代数
3、特征,对数学题目中的条件和结论既分析其几何意义又分析其代数意义;第二是恰当设参、合理用参,建立关系,由数思形,以形想数,做好数形转化;第三是正确确定参数的取值范围。二、 解题方法指导1转换数及形的三条途径: 通过坐标系的建立,引入数量化静为动,以动求解。 转化,通过分析数及式的构造特点,把问题转化到另一个角度来考虑,如将转化为勾股定理或平面上两点间的间隔 等。 构造,比方构造一个几何图形,构造一个函数,构造一个图表等。2运用数形结合思想解题的三种类型和思维方法:“由形化数” :就是借助所给的图形,细致视察探讨,提示出图形中蕴含的数量关系,反映几何图形内在的属性。“由数化形” :就是根据题设条件
4、正确绘制相应的图形,使图形能充分反映出它们相应的数量关系,提示出数及式的本质特征。“数形转换” :就是根据“数”及“形”既对立,又统一的特征,视察图形的形态,分析数及式的构造,引起联想,适时将它们互相转换,化抽象为直观并提示隐含的数量关系。三、 数形结合的思想方法的应用(一) 解析几何中的数形结合解析几何问题往往综合很多学问点,在学问网络的交汇处命题,备受出题者的青睐,求解中常常通过数形结合的思想从动态的角度把抽象的数学语言及直观的几何图形结合起来,到达探讨、解决问题的目的. 1. 及斜率有关的问题【例1】已知:有向线段PQ的起点P及终点Q坐标分别为P(-1,1),Q(2,2).若直线lx+m
5、y+m=0及有向线段PQ延长相交,务实数m的取值范围. 解:直线l的方程x+my+m=0可化为点斜式:y+1=-(x-0),易知直线l过定点M(0,-1),且斜率为-. l及PQ的延长线相交,由数形结合可得:当过M且及PQ平行时,直线l的斜率趋近于最小;当过点M、Q时,直线l的斜率趋近于最大. 【点评】含有一个变量的直线方程可化为点斜式或化为经过两直线交点的直线系方程.本题是化为点斜式方程后,可看出交点M(0,-1)和斜率-.此类题目一般结合图形可推断出斜率的取值范围. 2. 及间隔 有关的问题【例2】求:y=(cos-cos+3)2+(sin-sin-2)2的最大(小)值.【分析】可看成求两
6、动点P(cos,sin)及Q(cos-3,sin+2)之间间隔 的最值问题. 解:两动点的轨迹方程为:x2+y2=1和(x+3)2+(y-2)2=1,转化为求两曲线上两点之间间隔 的最值问题.如图: 3. 及截距有关的问题【例3】若直线y=x+k及曲线x=恰有一个公共点,求k的取值范围. 解:曲线x=是单位圆x2+y2=1的右半圆(x0),k是直线y=x+k在y轴上的截距. 由数形结合知:直线及曲线相切时,k=-,由图形:可得k=-,或-1k1. 4. 及定义有关的问题【例4】求抛物线y2=4x上到焦点F的间隔 及到点A(3,2)的间隔 之和为最小的点P的坐标,并求这个最小值.【分析】要求PA
7、+PF的最小值,可利用抛物线的定义,把PF转化为点P到准线的间隔 ,化曲为直从而借助数形结合解决相关问题. 解:P是抛物线y2=4x上的随意一点,过P作抛物线的准线l的垂线,垂足为D,连PF(F为抛物线的焦点),由抛物线的定义可知:. 过A作准线l的垂线,交抛物线于P,垂足为Q,明显,直线AQ之长小于折线APD之长,因此所求的点P即为AQ及抛物线交点. AQ直线平行于x轴,且过A(3,2),所以方程为y=2,代入y2=4x得x=1. P(1,2)及F、A的间隔 之和最小,最小间隔 为4.【点评】 (1)化曲线为直线是求间隔 之和最有效的方法,在椭圆,双曲线中也有类似问题. (2)若点A在抛物线
8、外,则点P即为AF及抛物线交点(内分AF). (二)数形结合在函数中的应用 1. 利用数形结合解决及方程的根有关的问题方程的解的问题可以转化为曲线的交点问题,从而把代数及几何有机地结合起来,使问题的解决得到简化.【例5】已知方程x2-4x+3=m有4个根,则实数m的取值范围 .【分析】此题并不涉和方程根的详细值,只求根的个数,而求方程的根的个数问题可以转化为求两条曲线的交点的个数问题来解决. 解:方程x2-4x+3m根的个数问题就是函数y=x2-4x+3及函数y=m图象的交点的个数. 作出抛物线y=x2-4x+3=(x-2)2-1的图象,将x轴下方的图象沿x轴翻折上去,得到y=x2-4x+3的
9、图象,再作直线y=m,如图所示:由图象可以看出,当0m1时,两函数图象有4交点,故m的取值范围是(0,1). 数形结合可用于解决方程的解的问题,准确合理地作出满意题意的图象是解决这类问题的前提. 2. 利用数形结合解决函数的单调性问题 函数的单调性是函数的一条重要性质,也是高考中的热点问题之一.在解决有关问题时,我们常须要先确定函数的单调性和单调区间,数形结合是确定函数单调性常用的数学思想,函数的单调区间形象直观地反映在函数的图象中.【例6】确定函数y=的单调区间. 画出函数的草图,由图象可知,函数的单调递增区间为(-,0,1,),函数的单调递减区间为0,1. 3. 利用数形结合解决比拟数值大
10、小的问题【例7】已知定义在R上的函数y=f(x)满意下列三个条件:对随意的xR都有f(x+4)=f(x);对随意的0x1x22,都有f(x1)f(x2);y=f(x+2)的图象关于y轴对称.则f(4.5),f(6.5),f(7)的大小关系是 . 解:由:T=4;由:f(x)在,上是增函数;由:f(x)f(x),所以f(x)的图象关于直线x=2对称.由此,画出示意图便可比拟大小. 明显,f(4.5)f(7)f(6.5). 4. 利用数形结合解决抽象函数问题 抽象函数问题是近几年高考中常常出现的问题,是高考中的难点.利用数形结合常能使我们找到解决此类问题的捷径.【例8】 设f(x),g(x)分别是
11、定义在上的奇函数和偶函数,在区间a,b(ab0,且f(x)g(x)有最小值.则函数y=f(x)g(x)在区间b,-a上(). . 是增函数且有最小值 . 是减函数且有最小值 . 是增函数且有最大值 . 是减函数且有最大值 【解析】 f(x)g(x)+f(x)g(x)=f(x)g(x)0. y=f(x)g(x)在区间a,b(abax的解集是x|0ax的解集是x|0x4, 即要求半圆在直线的上方,由图可知a0,所以选. 【点评】 本题很好的表达了数形结合思想在解题中的妙用. 【例10】 若x(,)时,不等式(x-1)2logax恒成立,则a的取值范围是(). . (0,1). (,) . (,.
12、, 解:设y1=(x1)2(1x2),y2=logax. 由图可知若y1y2(1x1. y1=(x-1)2过(,)点,当y2=logax也过(,)点,即a=2时,恰有y1y2(1x2) a2时(x-1)20),那么不等式xf(x)0的解集是(). . x|0xa . x|-axa . x|-axa . x|x-a或0x0),可得到f(x)图象,又由已知xf(x)0,可知x及f(x)异号,从图象可知,当x(-a,)(a,+)时满意题意,故选.【例12】 设函数f(x)2,求使f(x)的取值范围.【解法】由f(x)得2. 易求出g(x)和h(x)的图象的交点立时,x的取值范围为,+). 【解法3】
13、 由的几何意义可设1(,),(,),(x,y),则,可知的轨迹是以1、为焦点的双曲线的右支,其中右顶点为(,),由双曲线的图象和x+1x-1知x.【点评】 本题的三种解法都是从不同角度构造函数或不等式的几何意义,让不等式的解集直观地表现出来,表达出数形结合的思想,给我们以“柳暗花明”的解题情境.(四)运用数形结合思想解三角函数题 纵观近三年的高考试题,奇妙地运用数形结合的思想方法来解决一些问题,可以简化计算,节约时间,进步考试效率,起到事半功倍的效果.【例13】函数f(x)=sinx+2sinx,x,的图象及直线y=k有且仅有个不同的交点,则k的取值范围是 .【分析】本题根据函数解析式,画出图
14、象,可以直观而简明地得出答案,在有时间限制的高考中就能大大地节约时间,进步考试的效率. 解:函数f(x)由图象可知:1k3.【例14】当0x时,函数f(x)的最小值为(). . . . . 解:y=则y为点(,)及点(sin2x,3cos2x)两点连线的斜率,又点的轨迹方程(0),即x2+(x0),如图,当过点的直线ly=kx+5及椭圆x2+(x0)相切时,k有最小值,故选. 【例15】若sin+cos=tan(0),则(). 解:令f(x)=sinx+cosx=sin(x+ )(0.再令,则sin+cos=.366,tan=1.7321.367,由图象知xP应小于.故选. 【点评】 本题首先
15、构造函数f(x),g(x),再利用两个函数的图象的交点位置确定,淘汰了、两选项,然后又用特殊值估算,结合图象确定选项,起到了稀奇制胜的效果.【例16】 已知函数f(x)是定义在(,)上的奇函数,当0x3时f(x)图象如下图所示,那么不等式f(x)cosx0的解集是(). 解:函数f(x)定义在(,)上,且是奇函数,根据奇函数图象性质可知,f(x)在(,)上的图象如图所示,若使f(x)cosx1时,关于x的方程ax=logax无实解.”正确及否. 错解:在同一坐标系中分别作出函数y=ax和y=logax的图象(a1)(如图1),可见它们没有公共点,所以方程无实解,命题正确. 【评析】 事实上对不
16、同的实数a,y=ax和y=logax的图象的延长趋势不同.例如当a=2时,方程无实数解;而当a=时,x=2是方程的解.说明两图象向上延长时,肯定相交,交点在直线y=x上.2、留意图象伸展“速度”【例20】比拟2n及n2的大小,其中n2,且nN+. 错解:在同一坐标系中分别作出函数y=2x和y=x2的图象(如图2). 由图可知,两图象有一个公共点. 当x=2时,2x=x2; 当x2时,2x2,且nN+时,2nn2.错因是没有充分留意到两个图象在x2时的递增“速度”!要比拟两个图象的递增速度,确实很难由图象直观而得.本题可以先猜测,后用数学归纳法证明.本题的正确答案是 当n=2、4时,2n=n2;
17、 当n=3时,2nn2. 证明略.3、留意数形等价转化【例21】已知方程x2+2kx-3k=0有两个实数在-1及3之间,求k的取值范围. 错解:令f(x)=x2+2kx-3k,结合题意画出图象3中的(1),再由图象列出不等 解略.【评析】 事实上,不等式组(*)并不及题意等价,图象3中的(2)也满意不等式组(*),但两实根均大于3,还可以举出两实根均小于-1的反例.若不等式组(*)及图3中的(1)等价,需加上条件-3kb0)有四组实数解,求a、b、m应满意的关系. 错解:已知方程组中的两个方程分别是椭圆和抛物线的方程,原方程组有四组实数解等价于椭圆及抛物线有四个不同的公共点.由图4知,m-b,
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