等對不等的啟示

2023-01-08 10:06:03 字數 3858 閱讀 4349

對於解集非空的一元二次不等式的求解,我們常用「兩根之間」、「兩根之外」這類簡縮語來說明其結果,同時也表明了它的解法.這是用「等」來解決「不等」的乙個典型例子.從表面上看,「等」和「不等」是對立的,但如果著眼於「等」和「不等」的關係,會發現它們之間相互聯絡的另一面.設m、n是代數式,我們把等式m=n叫做不等式相應的等式.我們把乙個不等式與其相應的等式對比進行研究,發現「等」是「不等」的「界點」、是不等的特例,稍微深入一步,可以從「等」的解決來發現「不等」的解決思路、方法與技巧.本文通過幾個常見的典型例題揭示「等」對於「不等」在問題解決上的啟示.

1.否定特例,排除錯解

解不等式的實踐告訴我們,不等式的解區間的端點是它的相應等式(方程)的解或者是它的定義區間的端點(這裡我們把+∞、-∞也看作端點).因此我們可以通過端點的驗證,否定特例,排除錯解,獲得解決問題的啟示.

例1 滿足sin(x-π/4)≥1/2的x的集合是().

a.{x|2kπ+5π/12≤x≤2kπ+13π/12,k∈z}

b.{x|2kπ-π/12≤x≤2kπ+7π/12,k∈z}

c.{x|2kπ+π/6≤x≤2kπ+5π/6,k∈z}

d.{x|2kπ≤x≤2kπ+π/6,k∈z}∪{2kπ+5π/6≤(2k+1)π,k∈z}(2023年三南試題)

分析:當x=-π/12、x=π/6、x=0時,sin(x-π/4)<0,因此排除b、c、d,故選a.

例2 不等式+|x|/x≥0的解集是().

a.{x|-2≤x≤2}

0或0<x≤2}

c.{x|-2≤x<0或0<x≤2}

0或0<x≤}

分析:由x=-2不是原不等式的解排除a、c,由x=2是原不等式的乙個解排除d,故選b.

這兩道題若按部就班地解來,例1是易錯題,例2有一定的運算量.上面的解法省時省力,但似有「投機取巧」之嫌.選擇題給出了三誤一正的答案,這是問題情景的一部分.而且是重要的一部分.我們利用「等」與「不等」之間的內在聯絡,把目光投向解區間的端點,化繁為簡,體現了具體問題具體解決的樸素思想,這種「投機取巧」正是抓住了問題的特徵,體現了數學思維的敏捷性和數學地解決問題的機智.在解不等式的解答題中,我們可以用這種方法來探索結果、驗證結果或縮小探索的範圍.

例3 解不等式loga(1-1/x)>1.(2023年全國高考試題)

分析:原不等式相應的等式--方程loga(1-1/x)=1的解為x=1/(1-a)(a≠1是隱含條件).原不等式的定義域為(1,+∞)∪(-∞,0).當x→+∞或x→-∞時,loga(1-1/x)→0,故解區間的端點只可能是0、1或1/(1-a).當0<a<1時,1/(1-a)>1,可猜測解區間是(1,1/(1-a));當a>1時,1/(1-a)<0,可猜測解區間是(1/(1-a),0).當然,猜測的時候要結合定義域考慮.

上面的分析,可以作為解題的探索,也可以作為解題後的回顧與檢驗.如果把原題重做一遍視為檢驗,那麼一則費時,對考試來說無實用價值,對解題實踐來說也失去檢驗所特有的意義;二則重做一遍往往可能重蹈錯誤思路、錯誤運算程式的覆轍,費時而於事無補.因此,抓住端點探索或檢驗不等式的解,是一條實用、有效的解決問題的思路.

2.誘導猜想,發現思路

當我們證明不等式m≥n(或時,可以先考察m=n的條件,基本不等式都有等號成立的充要條件,而且這些充要條件都是若干個正變數相等,這就使我們的思考有了明確的目標,誘導猜想,從而發現證題思路.這種思想方法對於一些較難的不等式證明更能顯示它的作用.

例4 設a、b、c為正數且滿足abc=1,試證:1/a3(b+c)+1/b3(c+a)+1/c3(a+b)≥3/2.(第36屆imo第二題)

分析:容易猜想到a=b=c=1時,原不等式的等號成立,這時1/a3(b+c)=1/b3(c+a)=1/c3(a+b)=1/2.考慮到「≥」在基本不等式中表現為「和」向「積」的不等式變換,故想到給原不等式左邊的每一項配上乙個因式,這個因式的值當a=b=c=1時等於1/2,且能通過不等式變換的運算使原不等式的表示式得到簡化.

1/a34bc≥=1/a,

1/b34ca≥1/b 1/c34ab≥1/c,

將這三個等式相加可得

1/a3(b+c)+1/b3(c+a)+1/c3(a+b)≥1/a+1/b+1/c-(1/41/2)(1/a+1/b+1/c)≥(3/2)=3/2,從而原不等式獲證.

這道題看似不難,當年卻使參賽的412名選手中有300人得0分.上述湊等因子的思路源於由等號的成立條件而產生的猜想,使思路變得較為自然,所用的知識是一般高中生所熟知的.再舉二例以說明這種方法有較大的適用範圍.

例5 設a,b,c,d是滿足1的正實數,求證:a3333/(a+b+c)≥1/3.(第31屆imo備選題)

證明:a39≥(2/3)a2,

b39≥(2/3)b2,

c39≥(2/3)c2,

d39≥(2/3)d2.

∴ a33332/3)(a2+b2+c2+d2)-(2/9

=(5/9)(a2+b2+c2+d2)-(2/91/9)(a2+c2-2ac+b2+d2-2bd)

≥(5/9)(a2+b2+c2+d2)-(2/95/92/91/31/3.

當a=b=c=d=1/2時,原不等式左邊的四個項都等於1/12,由此出發湊「等因子」.對於某些中學數學中的常見問題也可用這種方法解決,降低問題解決對知識的要求.

例6 設8,求m=+++的最大值.

分析:猜想當a=b=c=d=2時m取得最大值,這時m中的4個項都等於3.要求m的最大值,需將m向「≤」的方向進行不等變換,由此可得3≤(3+4a+1)/2=2a+2,3≤2b+2,3≤2c+2,3≤2d+2.於是3m≤28=24,∴m≤8.當且僅當a=b=c=d時等號成立,所以m的最大值為8.

當然,例6利用平方平均數不小於算術平均數是易於求解的,但需要高中數學教材外的知識.利用較少的知識解決較多的問題,是數學自身的追求,而且從教學上考慮,可以更好地培養學生的數學能力.先有猜想,後有設計,再有證法,也是數學地思考問題的基本特徵.

3.引發矛盾,啟迪探索

在利用基本不等式求最大值或最小值時,都必須考慮等號能否取得,這不僅是解題的規範要求,而且往往對問題的解決提供有益的啟示.特別當解題的過程似乎順理成章,但等號成立的條件卻發生矛盾或並不一定成立.這一新的問題情景將啟迪我們對問題的進一步探索.

例7 設a,b∈r+,2a+b=1,則2-4a2-b2有().

a.最大值1/4  b.最小值1/4

c.最大值(-1)/2  d.最小值(-1)/2

分析:由4a2+b2≥4ab,得原式≤2-4ab=-4()2+2=-4(-1/4)2+1/4≤1/4.若不對不等變換中等號成立的條件進行研究,似已完成解題任務,而且覺得解題過程頗為自然,但若研究一下等號成立的條件,則出現了矛盾:要使4a2+b2≥4ab中的等號成立,則應有2a=b=1/2,這時=/4≠1/4,第二個「≤」中的等號不能成立.這一矛盾使我們感覺到解題過程的錯誤,促使我們另闢解題途徑.事實上,原式=2-(2a+b)2+4ab=4ab+2-1,而由1=2a+b≥2得0<≤/4,ab≤1/8,∴原式≤/2+1/2-1=(-1)/2,故選 c.等號不一定成立而啟迪我們對問題進一步探索的典型例子是2023年全國高考(理科)第22題:

例8 甲、乙兩地相距s千公尺(km),汽車從甲地勻速行駛到乙地,速度不得超過c千公尺/小時(km/h).已知汽車每小時的運輸成本(以元為單位)由可變部分和固定部分組成:可變部分與速度v(千公尺/小時)的平方成正比,比例係數為b,固定部分為a元.

ⅰ.把全程運輸成本y(元)表示為速度v(千公尺/小時)的函式,並指出這個函式的定義域;

ⅱ.為了使全程運輸成本最小,汽車應以多大的速度行駛?

分析0,c],由y≥2s當且僅當as/v=bsv,即當v=時等號成立得,當v=時y有最小值.這是本題的正確答案嗎?那就得考慮v=是否一定成立.當≤c時可以,但是有可能大於c的.這就引發了我們進行分類討論的動機,同時也獲得分類的標準.

綜上所述,「等」是不等式問題中一道特殊的風景,從「等」中尋找問題解決的思路,本質上是特殊化思想在解題中的應用.從教學上看,引導學生注視不等式問題中的「等」,是教會學生發現問題、提出問題,從而分析問題、解決問題的契機.

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