數形結合思想之「複數法」在高中數學解題中的應用

複數法是以複數作為溝通數與形間的相互關係,進行數與形的相互轉化,利用複數知識實現問題解決的解題方法。

複數具有如下對應,轉化關係

數形結合思想之“複數法”在高中數學解題中的應用

複數轉化關係圖

在這些對應下,複數的各種代數運算都有特定的幾何意義

因而適當引入複數,利用這種對應關係進行數形轉化,進而可以實現“以形解數”或“以數解形”。

例題1、

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例題1圖(1)

求證:

數形結合思想之“複數法”在高中數學解題中的應用

例題1圖(2)

解題思路:

待證不等式中的四個無理式具有複數模的形式,可考慮引入複數,用有關複數模的知識解題。

證明:設

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例題1圖(3)

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例題1圖(4)

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例題1圖(5)

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例題1圖(6)

例題2、在凸平面四邊形 ABCD 中 ,AC , BD 是對角線 。

求證:AC · BD ≤ AB · CD + AD · BC 。

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例題2圖(1)

解題思路:

把線段看成相應複數的模,則待證不等式可轉化成複數模的不等式,在用有關複數模的不等式解決問題。

證明:引入複平面,並設 A , B , C , D 對應的複數分別為 O,z1 , z2 , z3 , 則向量 BC 對應複數 z2 - z1 ,

向量 BD 對應 z3 - z1 ,向量 CD 對應 z3 - z2 ,則

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例題2圖(2)

AC · BD = ∣z2∣ · ∣ z3 - z1 ∣ = ∣z2·z3 - z1·z2 ∣ ;

AB · CD = ∣z1∣ · ∣ z3 - z2 ∣ = ∣z1·z3 - z1·z2 ∣ ;

AD · BC = ∣z3∣ · ∣ z2 - z1 ∣ = ∣z2·z3 - z1·z3 ∣ ;

∵ AB · CD + AD · BC = ∣z1·z3 - z1·z2 ∣ + ∣z2·z3 - z1·z3 ∣ ≥ ∣z1·z3 - z1·z2 + z2

·z3 - z1·z3 ∣

= ∣z2·z3 - z1·z2 ∣ = AC · BD ,

∴ AC · BD ≤ AB · CD + AD · BC

注:當四邊形 ABCD 內接於圓時,所證不等式取“=”號,也就是著名的托勒密定理 。

例題3、如圖,在正方形 ABCD 中 ,BE∥AC ,AC = EC ,AB 交 CE 於點 F ,求證 :AE = AF 。

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例題3圖

證明:建立如圖所示的複平面,以點 B 為座標原點,BC 所在的直線為 x 軸,BA 為 y 軸 。

設已知正方形邊長為 a (a > 0),∠ECA = θ 。

向量 CA 對應的複數為 z1 = -a + ai ;

向量 CE 對應的複數為 z2 = z1 · (cosθ + isinθ),

即 z2 = ( -a + ai)(cosθ + isinθ)= ( -acosθ - asinθ)+ i(acosθ - asinθ)。

∵ 向量 BE∥向量CA

∴ 設 向量BE = λ · 向量CA

則向量 BE 對應的複數為 λ( -a + ai)

∵ 向量 CE = 向量 BE - 向量 BC

∴ 向量 CE 又對應複數 z2 = λ( -a + ai)- a = -λa - a + λai

∴ ( -acosθ - asinθ)+ i(acosθ - asinθ)= -λa - a + λai

由兩個複數相等的充要條件可得

-acosθ - asinθ = -λa - a ①

acosθ - asinθ = λa ②

① + ② :-2asinθ = -a , 即 sinθ = 1/2 ,

∴ θ = 30°

∵ △AEC 是等腰三角形 ,∠ECA = 30° ,

∴ ∠AEC = 75° 。

又 ∵ ∠EFA = ∠ACE + ∠CAF = 30° + 45° = 75° = ∠AEF

∴ AE = AF


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