转化与划归思想

前言

待编辑。

等价转化

已知单调性求参数的取值范围;

已知函数(f(x))在区间((a,b))内单调递增,等价转化为(f'(x)geqslant 0)在区间((a,b))内恒成立且(f'(x)=0)在区间((a,b))内不恒成立(即需要保证(f(x))不是常函数,否则不符合题意,因为常函数没有单调性),故求得参数的取值范围后,还需要对端点值作以验证,否则会产生错误的多余的解;而学生则容易错误转化为(f'(x)>0)在区间((a,b))内恒成立,这样必然不包含区间的端点值,这样又会产生漏解;

存在单调性求参数的取值范围;

已知函数(f(x))存在单调递增区间((a,b)),等价转化为(f'(x)>0)在区间((a,b))有解或者能成立;而学生则容易错误转化为(f'(x)ge 0)在区间((a,b))内能成立或有解,这样必然会产生错误的多余的解;

已知函数在闭区间上不单调,求参数的取值范围;

例2函数(f(x)=cfrac{1}{3}x^3-x^2+ax-5)在区间([-1,2])上不单调,则实数(a)的取值范围是_________。 ((-3,1))

由题可知(f(x))不单调,则导函数(y=f'(x))在区间((-1,2))上至少有一个变号零点,而不是在区间([-1,2])上至少有一个变号零点;

使用场景

数形之间的相互转化,

未知向已知的转化,

模型向模型的转化

复数问题实数化,

立体问题平面化,

实数问题有理数化,

视角上的转化 比如证明(ABperp CD)需要转化为(CDperp AB),以及(V_{A-BCD}=V_{D-ABC}),即等体积法,等面积法。

维度上的转化,

抽象问题具体化

典例剖析:

例1【2018福建龙岩市高三质检】若不等式((x-a)^2+(x-lna)^2>m)对任意(xin R)(ain (0,+infty))恒成立,则实数(m)的取值范围是______________。

分析:检索自己的数学知识储备,我们能发现,不等式的左端的结构和平面内两点间的距离公式非常接近,

故我们主动联想,向两点间的距离公式的几何意义做靠拢,从而转化为求两点间的距离的最小值的平方。

解法1:表达式((x-a)^2+(x-lna)^2)的几何意义是直线(y=x)上的点((x,x))到曲线(y=lnx)上的点((a,lna))距离的平方,

如果令(f(x)=(x-a)^2+(x-lna)^2),则由(m<f(x))对任意(xin R)(ain (0,+infty))恒成立,

即需要我们求(f(x))的最小值;这样题目首先转化为以下的题目:

例1-2直线(y=x)上的动点为(P),函数(y=lnx)上的动点是(Q),求(|PQ|)的最小值。

【等价题目】直线(y=x)上的点为(P(x,x)),函数(y=lnx)上的点是(Q(a,lna)),求(sqrt{(x-a)^2+(x-lna)^2})的最小值。

设和直线(y=x)平行且和函数(y=lnx)相切的直线为(y=x+m)

切点为(P_0(x_0,y_0)),则有

(egin{cases} y_0=x_{0}+ m \ y_0=lnx_0 \ f'(x_0)=cfrac{1}{x_0}=1end{cases})

从而解得(x_0=1,y_0=0,m=-1)

所以所求的点点距的最小值,就转化为切点(P_0(1,0))到直线(y=x)的点线距,

或者两条直线(y=x)(y=x-1)的线线距了。

此时(|PQ|_{min}=cfrac{sqrt{2}}{2})

由上述题目可知,(f(x)_{min}=(cfrac{sqrt{2}}{2})^2=cfrac{1}{2})

故实数(m)的取值范围是(m<cfrac{1}{2}),即(min (-infty,cfrac{1}{2}))

例2【2019届宝鸡市高三理科数学质量检测一第12题】设函数(f(x)=(x-a)^2+(lnx^2-2a)^2),其中(x>0)(ain R),存在(x_0),使得(f(x_0)leq cfrac{4}{5})成立,则实数(a)等于【】

$A.1$ $B.cfrac{1}{5}$ $C.cfrac{2}{5}$ $D.cfrac{1}{2}$

分析:由于题目告诉我们,存在(x_0),使得(f(x_0)leq cfrac{4}{5})成立,

则需要我们求解函数(f(x))的最小值,最容易想到的就是利用导数求解函数的最小值,

这个最小值中会含有参数(a),让其小于等于(cfrac{4}{5}),求解即可。

但是观察函数的特征,你会感觉这可能不是一个很好的选择。

那么有没有更好的选择呢,详细观察所给的函数结构特征,发现其和平面内任意两点见的距离公式很接近,

所以我们可以这样考虑:

函数(f(x))的最小值应该是点((x,lnx^2))和点((a,2a))之间的最小距离的平方,再次转化为

函数(y=g(x)=lnx^2=2lnx)上的动点((x,y))与函数(y=h(x)=2x)上的动点((m,n))之间的最小距离的平方,

从而问题转化为先求解曲线(y=2lnx)上的动点到直线(y=2x)的最小距离了。

利用平行线法,设直线(y=2x+m)与曲线相切于点((x_0,y_0))

则有(g'(x_0)=cfrac{2}{x_0}=2),解得(x_0=1)

代入(y=2lnx),得到(y_0=0),即切点为((1,0))点,

代入(y=2x+m),得到(m=-2)

即切线为(y=2x-2),此时函数(f(x))的最小值,也就是曲线上的点((1,0))到直线(y=2x)的点线距的平方,

也是两条直线(y=2x)(y=2x-2)之间的线线距的平方,其中线线距(d=cfrac{|2|}{sqrt{2^2+1^2}}=cfrac{2}{sqrt{5}})

(d^2=cfrac{4}{5}),说明这样的(x_0)是存在的且唯一的,(x_0=1)

那么(a)为多少?该如何求解呢?由于(a)是使得函数(f(x))取得最小值的参数,

即本题目中应该是点((1,0))在直线(y=2x)上的垂足的横坐标。

由于过点((1,0))(y=2x)垂直的直线为(y-0=-cfrac{1}{2}(x-1))

联立(left{egin{array}{l}{y=2x}\{y=-cfrac{1}{2}(x-1)}end{array}ight.),解得(x=cfrac{1}{5})

(a=cfrac{1}{5}),故选(B)

例3甲、乙两人约定某天晚上(7:00 sim 8:00)之间在某处会面,并约定甲早到应等乙半小时,而乙早到无需等待甲即可离去,那么两个人能会面的概率是【】

$A.cfrac{1}{3}$ $B.cfrac{1}{8}$ $C.cfrac{3}{8}$ $D.cfrac{5}{9}$

分析:如右图所示,令(7:00)对应0,(8:00)对应1,设甲乙两人到达的时刻分别为(x,y),则其相当于在区间([0,1])上取值一样,“约定甲早到应等乙半小时”即(y-xleq cfrac{1}{2}),即(x-y ge -cfrac{1}{2}),“乙早到无需等待甲即可离去”意味着(x-y>0),那么两人会面应该满足条件(-cfrac{1}{2}leq x-y leq 0)

即右图中的阴影部分,所以所求的概率为(P=1-cfrac{cfrac{1}{2} imes cfrac{1}{2} imes cfrac{1}{2}+cfrac{1}{2} imes 1 imes 1}{1}=cfrac{3}{8}).

本题目的难点有以下三个:

①到底该是用一维来刻画还是用二维来刻画;两个刻画时刻的数轴的呈现方式,到底该平行还是垂直,还是斜交。

②关于时刻的转化,(7:00)对应数值(0)(8:00)对应数值(1),则(7:00 sim 8:00)任一时刻的到达对应区间[0,1]的任意取值。半小时对应数字(cfrac{1}{2}).

③将甲、乙两人会面的文字条件转化为数学语言,即线性不等式组。

【解后反思】①本题目通过设置两个变量(x)(y),将已知的文字语言转化为(x)(y)所满足的不等式(数学语言),进而转化为坐标平面内的点((x,y))的相关约束条件,从而把时间这个长度问题转化为平面图形的二维面积问题,进而转化为面积型几何概型。

②若题目中涉及三个相互独立的变量,则需将其转化为空间几何体的体积问题加以求解。

练5已知点(M)在圆(C:x^2+y^2-4y+3=0)上,点(N)在曲线(y=1+lnx)上,则线段(MN)的长度的最小值为_______。

提示:曲线(y=1+lnx)的切线为(y=x),则原问题转化为点((cos heta,2+sin heta))到直线(x-y=0)的点线距。(d_{min}=sqrt{2}-1)

对函数式或者方程式的化简会简化思维

例4(2017(cdot)全国卷3理科第12题)【函数的零点】已知函数(f(x)=x^2-2x+a(e^{x-1}+e^{-x+1}))有唯一的零点,则(a)的值为【】

$A.-cfrac{1}{2}$ $B.cfrac{1}{3}$ $C.cfrac{1}{2}$ $D.1$

【法1】:分离常数法,本题目就不适宜使用此法;

(f(x)=0)得到(a(e^{x-1}+e^{-x+1})=-x^2+2x),分离得到(a=cfrac{-x^2+2x}{e^{x-1}+e^{-x+1}}=h(x))

你应该能感觉到函数(h(x))若要用导数分析其单调性,那会是相当的难,故分离参数的思路一般在这个题目中,就自然舍弃了。

【法2】:由题目可知方程(f(x)=0)仅有一解,即(a(e^{x-1}+e^{-x+1})=-x^2+2x)仅有一解,

即函数(y=a(e^{x-1}+e^{-x+1}))与函数(y=-x^2+2x)的图像仅有一个交点。参考图像

手工怎么作图呢,函数(y=-x^2+2x)的图像大家应该会的,故重点说(y=a(e^{x-1}+e^{-x+1}))的图像。

令函数(g(x)=y=e^x+cfrac{1}{e^x}=e^x+e^{-x}),则是偶函数,(g(0)=2)

(xge 0)时,(g'(x)=e^x-e^{-x})(g'(x))单调递增,

(g'(x)ge g'(0)=0),则函数(g(x))([0,+infty))上单调递增,又由偶函数可知,在((-infty,0])上单调递减,

这样我们就做出了函数(g(x)=e^x+cfrac{1}{e^x})的图像,然后将其向右平移一个单位,得到(y=e^{x-1}+e^{-x+1})的图像,

前边的系数(a)的作用有两个,其一控制张角大小,其二控制函数最低点的位置,

就像函数(y=a|x|)中的(a)的作用一样的,所以我们就能用手工做出函数(y=a(e^{x-1}+e^{-x+1}))的图像,

要使得函数(y=a(e^{x-1}+e^{-x+1}))与函数(y=-x^2+2x)的图像仅有一个交点,

就需要函数(y=a(e^{x-1}+e^{-x+1}))的最小值(a(e^{1-1}+e^{-1+1})=2a)和函数(y=-x^2+2x)的最大值(-1^2+2 imes1=1)相等,

(2a=1),解得(a=cfrac{1}{2})。故选(C).

【法3】:构造函数法+函数性质法;

函数(f(x)=x^2-2x+a(e^{x-1}+e^{-x+1})=(x-1)^2+a[e^{x-1}+e^{-(x-1)}]-1)

(t=x-1),则(g(t)=f(x-1)=t^2+a(e^t+e^{-t})-1)

由于(g(-t)=t^2+a(e^t+e^{-t})-1=g(t)),故(g(t))为偶函数,

由于函数(f(x))有唯一零点,则函数(g(t))也有唯一零点,

又函数(g(t))是偶函数,即函数(g(t))(t)轴仅有一个交点,则(g(0)=0)

代入得到(2a-1=0),即(a=cfrac{1}{2});故选(C).

【法4】:函数(f(x)=0Leftrightarrow) (a(e^{x-1}+e^{-(x-1)})=-x^2+2x)

(e^{x-1}+e^{-(x-1)}ge 2sqrt{e^{x-1}cdot e^{-(x-1)}}=2),当且仅当(x=1)时取到等号;

(-x^2+2x=-(x-1)^2+1leq 1)

(a>0)时,(a(e^{x-1}+e^{-(x-1)})ge 2a)

要使(f(x))仅有一个零点,则必有(2a=1),解得(a=cfrac{1}{2})

(a<0),则函数(f(x))的零点不唯一,

综上,(a=cfrac{1}{2});故选(C).

【法5】由(f(x)=x^2-2x+a(e^{x-1}+e^{-x+1}))

得到(f(2-x)=(2-x)^2-2(2-x)+a(e^{2-x-1}+e^{-(2-x)+1})=x^2-2x+a(e^{x-1}+e^{-x+1}))

所以(f(2-x)=f(x)),故(x=1)是函数(f(x))图像的对称轴。

由题意可知,函数(f(x))有唯一的零点,

故只能是(x=1)

(f(1)=1^2-2 imes1+a(e^{1-1}+e^{-1+1})=0)

解得(a=cfrac{1}{2}),故选(C).

【法6】我们一般这样转化,由函数(f(x))有唯一的零点,

得到方程(x^2-2x=-a(e^{x-1}+e^{-x+1}))有唯一解,注意到方程的右端,

我们可以和对勾函数做以联系,令(x-1=t),则(x=t+1)

故原方程就转化为((t+1)^2-2(t+1)=-a(e^t+e^{-t})),为了便于做出图像,

还需要再代换,令(e^t=x),则(x>0)(t=lnx)

这样方程就又转化为(ln^2x-1=-a(x+cfrac{1}{x}))

在同一个坐标系中,分别做出函数(y=ln^2x-1)(y=-a(x+cfrac{1}{x}))的图像,

<img src="http://images2015.cnblogs.com/blog/992978/201707/992978-20170708111845878-662541646.png" / >

由图像可知对勾函数前面的系数必须满足(-a=-cfrac{1}{2})

(a=cfrac{1}{2}),故选(C).

例12【2020届宝鸡质检1文数第12题】若过点(P(-1,m))可作曲线(f(x)=-x^3+6x^2)的三条切线,则实数(m)的取值范围是【】

$A.-19< m < 8$ $B.-20 < m < 7$ $C.m 8$ $D.m 7$

法1:从形的角度分析;用导数工具分析函数(f(x))的单调性,做出其简图,如图所示,

当点(P)在直线(x=-1)的下端[无穷远处]时,我们做不出过点(P)的三条切线,故可以排除(C)(D)两个选项;

比较选项(A)(B),我们考虑(m=7),此时点(P)位于点(B)处,若(m>7),我们更加做不出过点(P)的三条切线,

故选(B)

法2:从数的角度入手计算;(f'(x)=-3x^2+12x),设经过点(P)的直线和函数(f(x))相切于点(Q(x_0,y_0))

[不着急考虑有三条切线的问题,到时候写出切线方程,让其有三个解即可]

(left{egin{array}{l}{k=f'(x_0))=-3x_0^2+12x_0①,斜率角度}\{y_0=-x_0^3+6x_0^2②,切点在曲线上}end{array}ight.)

又由于切线方程为(y-y_0=f'(x_0)(x-x_0)),将上述条件代入得到,

(y-(-x_0^3+6x_0^2)=(-3x_0^2+12x_0)(x-x_0)),又由于动点(P(-1,m))在切线上,则有

(m-(-x_0^3+6x_0^2)=(-3x_0^2+12x_0)(-1-x_0)),整理得到,(m=2x_0^3-3x_0^2-12x_0)

[此处注意,虽说上述结果只有一个表达式,其实它可以包含切线的三个位置]

因此,函数(y=m)和函数(g(x)=2x^3-3x^2-12x)的图像应该有三个不同的交点;

由于(g'(x)=6x^2-6x-12=6(x^2-x-2)=6(x+1)(x-2))

故函数(g(x))((-infty,-1))单调递增,在((-1,2))单调递减,在((2,+infty))单调递增,

显然(g(x)_{极大}=g(-1)=7)(g(x)_{极小}=g(2)=-20)

做出两个函数的简图,如图所示,

由图可知,(-20<m<7),故选(B)

例6【抽象问题具体化】从一堆产品(正品与次品都多于(2)件)中任取(2)件,观察正品件数和次品件数,则下列说法:

①“恰好有(1)件次品”和“恰好(2)件都是次品”是互斥事件;

②“至少有(1)件正品”和“全是次品”是对立事件;

③“至少有(1)件正品”和“至少有(1)件次品”是互斥事件但不是对立事件;

④“至少有(1)件次品”和“全是正品”是互斥事件也是对立事件;

其中正确的有【① ② ④】;

分析:假设正品有(A、B、C)三件,次品有(D、E、F)三件[具体化时,数目刚满足题意即可,越少越好],依次得到选项中的各事件;

在选项①中,“恰好有(1)件次品”包括((A,D))((A,E))((A,F))((B,D))((B,E))((B,F))((C,D))((C,E))((C,F))共9个基本事件;“恰好(2)件都是次品”包括((D,E))((D,F))((E,F))共3个基本事件,这两个事件是互斥事件,故①正确;

在选项②中,“至少有(1)件正品”包括((A,B))((A,C))((B,C))((A,D))((A,E))((A,F))((B,D))((B,E))((B,F))((C,D))((C,E))((C,F))共12个基本事件;“全是次品”包括((D,E))((D,F))((E,F))共3个基本事件,这两个事件的交集为空集,并集为全集[(C_6^2=15)],因此是对立事件,故①正确;

在选项③中,“至少有(1)件正品”包括((A,B))((A,C))((B,C))((A,D))((A,E))((A,F))((B,D))((B,E))((B,F))((C,D))((C,E))((C,F))共12个基本事件;“至少有(1)件次品”包括((A,D))((A,E))((A,F))((B,D))((B,E))((B,F))((C,D))((C,E))((C,F))((D,E))((D,F))((E,F))共12个基本事件;这两个事件并不是互斥事件,故③错误;

在选项④中,“至少有(1)件次品”包括((A,D))((A,E))((A,F))((B,D))((B,E))((B,F))((C,D))((C,E))((C,F))((D,E))((D,F))((E,F))共12个基本事件;“全是正品”包括((A,B))((A,C))((B,C))共3个基本事件,这两个事件的交集为空集,并集为全集[(C_6^2=15)],故④正确;

综上所述,填写① ② ④

解题策略:抽象问题具体化。

例11【宝鸡市二检文理科第12题】已知函数(f(x)=a^x)(g(x)=log_ax(a>0且a
eq 1))
的图像有两个公共点,则实数(a)的取值范围是【】

$A.(0,e^{frac{1}{e}})$ $B.(1,e^{frac{2}{e}})$ $C.(1,sqrt{e})$ $D.(1,e^{frac{1}{e}})$

分析:先做出如右图所示的图像,从形上分析,由于函数(f(x)=a^x)(g(x)=log_ax(a>0且a
eq 1))
互为反函数,其图像关于直线(y=x)对称,

故两条曲线相交时,直线(y=x)必然也会过他们的交点,这样我们将图形简化一下,

即要保证两条曲线有两个交点,只需要一区一直两条线有两个交点就可以了,

此时我们从形上已经不好把握了,需要转换到数的角度进行计算。

即函数(y=a^x)与函数(y=x)的图像有两个交点,也即方程(a^x=x)要有两个不同的实数根。

两边同时取自然对数,得到(lna^x=lnx),即(xlna=lnx),注意到图像的交点的(x
eq 0)

故分离参数得到(lna=cfrac{lnx}{x})

则要方程使(lna=cfrac{lnx}{x})有两个不同的根,需要函数(y=lna)(g(x)=cfrac{lnx}{x})要有两个交点,这样又转换到形了。

以下用导数方法,判断函数(g(x)=cfrac{lnx}{x})的单调性,得到在((0,e))上单调递增,在((e,+infty))上单调递减,做出其函数图像如右图所示,

故有(0<lna<cfrac{1}{e}),即(ln1<lna<lne^{frac{1}{e}}),故(ain (1,e^{frac{1}{e}})),选(D).

解后反思:

①、数到形,形到数,二者之间的转换在高三数学的学习中非常普遍。

②、熟练掌握函数(f(x)=cfrac{lnx}{x}),以及(g(x)=lnxpm x)(h(x)=xcdot lnx)等的函数的图像和性质,在解题中会有不小的惊喜。

③、在分离常数时,可以分离得出(lna=cfrac{lnx}{x}),还可以分离得到(a=e^{frac{lnx}{x}}),但是明显第一种分离方式更有利于计算,此处使用了整体思想。

大小转化

例13据气象部门预报,在距离某码头正西方向(400km)处的热带风暴中心正以(20km/h)的速度向东北方向移动,距离风暴中心(300km)以内的地区为危险区,该码头处于危险区内的时间是_____小时。

[法1]:解三角形法,设风暴移动的时间为(t)小时, 半径为(300km)(odot B)代表风暴以及殃及的范围;

则要使得码头不处于危险内,则需要(AB>300);若(ABleqslant 300),则此刻码头一定在危险区内;

由题可知,(AB^2=OA^2+OB^2-2 imes OA imes OB imes cos45^{circ})

(AB^2=400^2+400t^2-2 imes20t imes400 imescfrac{sqrt{2}}{2})

(AB^2leqslant 300^2),即(400^2+400t^2-2 imes20t imes400 imescfrac{sqrt{2}}{2}leqslant 300^2)

整理得到,(400t^2-2 imes20t imes400 imescfrac{sqrt{2}}{2}+400^2-300^2leqslant 0)

先变形为(400t^2-2 imes20t imes400 imescfrac{sqrt{2}}{2}+(400+300)(400-300)leqslant 0)

再变形为(4t^2-2 imes20t imes4 imescfrac{sqrt{2}}{2}+700leqslant 0)

再变形为(t^2-2 imes20t imescfrac{sqrt{2}}{2}+175leqslant 0)

(t^2-20sqrt{2}t+175leqslant 0),接下来不应该考虑十字相乘法分解,应该考虑公式法。

对方程(t^2-20sqrt{2}t+175=0)而言,其求根公式为

(t=cfrac{20sqrt{2}pmsqrt{(20sqrt{2})^2-4 imes 175}}{2 imes1}=cfrac{20sqrt{2}pm 10}{2}=10sqrt{2}pm 5)

解得(10sqrt{2}-5leqslant t leqslant 10sqrt{2}+5)

即当时间(t=10sqrt{2}-5)时开始,码头进入危险区,当(t=10sqrt{2}+5)时开始,码头脱离危险区,

所以码头处于危险区的时间为(10sqrt{2}+5-(10sqrt{2}-5)=10).

解后反思:本题目的难点比较多,

①转化为解三角形模型;

②对(AB^2 leqslant 300^2)的理解;

③解不等式,十字相乘法变换为公式法;

④对(t=10sqrt{2}pm 5)的理解;

[法2]:平面几何法,将风暴理解为一个质点,将码头扩大为一个半径为(300km)的圆(odot A)

则当风暴沿着射线(OD)运动时,码头处于危险区的距离为图中的线段(CD)

(Rt riangle OAE)中,容易知道(AE=200sqrt{2})

则由相交弦定理可知,(DE^2=(300-200sqrt{2}) imes (300+200sqrt{2})=100^2)

(DE=100)(CD=200),可知风暴作用于码头的距离是(200km)

故码头处于危险区的时间为(cfrac{200}{20}=10)小时。

动静转化

例2如果满足(angle ABC=60^{circ})(AC=12)(BC=k)的三角形(Delta ABC)恰有一个,那么(k)的范围是多少?

法1:从数的角度入手,由正弦定理(cfrac{k}{sinA}=cfrac{12}{sin60^{circ}})

得到方程(k=8sqrt{3}sinA,Ain(0,cfrac{2pi}{3}))有一个解,或者两个函数图像有一个交点,数形结合求解即可。

由图可知,满足题意的三角形恰有一个,则(kin(0,12])(k=8sqrt{3})

【法2】:从形的角度入手,动静元素互相换位,即理解为让长度为(12)的边变化,让长度为(k)的边不变化。

如图,以点(C)为圆心画弧,当(12)小于点(C)到边(AB)的高度(k imescfrac{sqrt{3}}{2})时,

(k imescfrac{sqrt{3}}{2}>12)时,解得(k>8sqrt{3}),此时三角形是不存在的;

(12)等于点(C)到边(AB)的高度(k imescfrac{sqrt{3}}{2})时,

(12=kcfrac{sqrt{3}}{2}),解得(k=8sqrt{3}),三角形是唯一的;

(12)大于点(C)到边(AB)的高度(kcdotcfrac{sqrt{3}}{2})时,三角形是两个的,

(12>k imes cfrac{sqrt{3}}{2}),解得(k<8sqrt{3})

(12)大于或等于边(BC)时,三角形是唯一的,即(0<kleqslant 12)

综上可知,当(k=8sqrt{3})(kin(0,12])时,满足条件的三角形恰好只有一个。

【解后反思】①动静互换,体现了思维的灵活性;②是否可以这样想,有一种从形入手分析的思路,必然就会有一种从数入手的思路与之对应。

图形转化

例2【2015(cdot)全国卷Ⅰ】在平面四边形(ABCD)中,(angle A=angle B=angle C=75^{circ})(BC=2),则(AB)的取值范围是___________。

分析:本题目非常特别,依据题意我们做出的图形是平面四边形,

当我们将边(AD)平行移动时,题目的已知条件都没有改变,故想到将此静态图变化为动态图,

平行移动(AD)时,我们看到了两个临界位置,即四边形变化为三角形的两个状态,

其一是四边形变化为三角形(ABF),此时应该有(BF<AB)

其二是四边形变化为三角形(ABE),此时应该有(BE>AB)

故动态的边(AB)的范围是(BF<AB<BE),从而求解。

解答:如图所示,延长(BA)(CD)交于(E),过(C)(CF//AD)(AB)(F),则(BF<AB<BE)

在等腰三角形(CFB)中,(angle FCB=30^{circ})(CF=BC=2),由余弦定理得到(BF=sqrt{6}-sqrt{2})

在等腰三角形(ECB)中,(angle CEB=30^{circ})(angle ECB=75^{circ})(BE=CE,BC=2)

由正弦定理得到(BE=sqrt{6}+sqrt{2})

(sqrt{6}-sqrt{2}<AB<sqrt{6}+sqrt{2})

解后反思引申:

1、求(CD)的取值范围;

分析:由上述的动态图可知,(0<CD<CE=BE=sqrt{6}+sqrt{2})

2、求(AD)的取值范围;

分析:由上述的动态图可知,(0<AD<CF=BC=2)

3、求四边形(ABCD)的周长的取值范围;

分析:四边形(ABCD)的周长介于(Delta BCF)的周长和(Delta BCE)的周长之间,

故其取值范围是((4+sqrt{6}-sqrt{2},2(sqrt{6}+sqrt{2})+2))

4、求四边形(ABCD)的面积的取值范围;

分析:四边形(ABCD)的面积介于(Delta BCF)的面积和(Delta BCE)的面积之间,

(S_{Delta BCF}=cfrac{1}{2} imes 2 imes 2 imes sin30^{circ}=1)

(S_{Delta BCE}=cfrac{1}{2} imes (sqrt{6}+sqrt{2}) imes (sqrt{6}+sqrt{2}) imes sin30^{circ}=2+sqrt{3})

故其取值范围是((1,2+sqrt{3}))

数形转化

例6【向量的投影的几何意义】【2018西安八校联考第5题】已知(O)是坐标原点,点(A(2,1)),点(M(x,y))是平面区域(egin{cases}&yleq x\&x+yleq 1\&yge -1end{cases})内的一个动点,则(overrightarrow{OA}cdot overrightarrow{OM})的最大值是多少?

法1:利用向量的坐标运算得到,(overrightarrow{OA}cdot overrightarrow{OM}=2x+y),故转化为求(2x+y)的最大值,即求(z=2x+y)的最大值,用线性规划的常规方法解决即可。

法2:利用向量的投影的几何意义求解,说明:点(M)是三角形区域内部及边界上的一个动点,动画只做了点(M)在边界上的情形;

注:图中有向线段(OB)是向量(overrightarrow{OM})在向量(overrightarrow{OA})方向上的投影,它是可正,可负,可零的;

(overrightarrow{OA}cdot overrightarrow{OM}=|overrightarrow{OA}|cdot |overrightarrow{OM}|cdot cos heta),其中(|overrightarrow{OA}|)是个定值,

故只需要求(|overrightarrow{OM}|cdot cos heta)的最大值,而(|overrightarrow{OM}|cdot cos heta)的几何意义是(overrightarrow{OM})(overrightarrow{OA})方向上的投影,

由图形可知,当点(M(x,y))位于点((2,-1))时投影(|overrightarrow{OM}|cdot cos heta)最大,故将点((2,-1))代入(overrightarrow{OA}cdot overrightarrow{OM}=3)

变式题1:求(overrightarrow{OA}cdot overrightarrow{OM})的最小值是多少?

分析:由上图可以看出,当两个向量的夹角为钝角时,其投影是负值,故当点(M)位于点(C)时,其内积最小,

此时将点((-1,-1))代入得到(overrightarrow{OA}cdot overrightarrow{OM}=-3)

变式题2:求向量(overrightarrow{OM})的投影的绝对值最小时的动点(M)的轨迹方程?

分析:当其夹角为(90^{circ})时,有向线段(OB=0),故向量(overrightarrow{OM})的投影的绝对值最小(0)

此时,点(M)在三角形区域内部且和直线(OA)垂直,故其轨迹为(y=-2x,(-1leqslant yleqslant 0))

相等不等转化

进退转化

Published by

风君子

独自遨游何稽首 揭天掀地慰生平

发表回复

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注