06.26 數形結合思想之“座標法”在高中數學解題中的應用

在問題的解決中,把數量關係的精確刻畫與空間形式的形象直觀密切結合,調用代數與幾何的雙面工具,揭露問題的深層結構,達到解題的目的,這就是

數形結合思想

一、座標法

通過選擇適當的座標系,建立數與形的對應關係,進行數與形的相互轉化,從而實現問題解決的解題方法。

例如在解析幾何中的公式和方程:

直線斜率、直線截距、兩點間的距離、點到直線的距離、點到平面的距離、定比分點座標、三點共線的充要條件、圓、橢圓、拋物線、雙曲面、球等大都可以作為溝通數形間關係的橋樑,實現“數”向“形”的轉化,達到“以形解數”的目的。

1、直線斜率模式

如果待解問題涉及形如 (a+b)/(c+d) 的式子,可轉化為直線斜率 k = (y0 - y)/(x0 - x)的形式,根據斜率的幾何解釋和相關條件研究斜率的變化規律,實現問題解決。

例題1、如果數 x , y 滿足等式 (x - 2)^2 + y^2 = 3 , 那麼 y/x 的最大值是 ()

A、1/2 B、√2/3 C、√3/2 D、√3

解題思路:

待解問題 y/x = (0 - y)/(0 - x)具有直線斜率的形式,可把它看成過定點 (0,0)和動點(x,y)的直線斜率 k ,而 x,y 滿足等式

(x - 2)^2 + y^2 = 3 , 其幾何意義是動點(x,y)的軌跡是以(2,0)為圓心 ,√3 為半徑的,藉助圖形可得 k 的最大值

解:如圖,建立平面直角座標系,設動點 P(x,y),其中 x , y 滿足等式 (x - 2)^2 + y^2 = 3 , 因而 P(x,y)是以點 A(2,0)為圓心,半徑為 √3 圓上的動點。

數形結合思想之“座標法”在高中數學解題中的應用

例題1圖

過定點(0,0)和動點 P(x,y)的直線的斜率是 k = y/x 。從上圖容易看出,當直線 OP 與 ⊙A 的上半圓相切時, k 取最大值。

設相應得切點為 B ,則 Kmax = ∣AB∣/∣OB∣ = √3 / 1 = √3 ,故選 D

2、直線截距模式

如果待解問題涉及形如 a • f(t)+ b • φ(t)的式子,可轉化為直線 m = ax + by 的形式,可根據直線截距的幾何意義和相關約束條件研究截距變化規律,實現問題解決。

例題2、求函數 S = x + (1 - x^2 ) 的最大值和最小值。

解題思路:

函數 S = x + (1 - x^2 ) 具有 S = a • f(t)+ b • φ(π)

的形式,令 y = (1 - x^2 ) ,即 x^2 + y^2 = 1 (y ≥ 0),它的幾何意義是半圓,藉助圖形可得 S 的最大值和最小值。

解:建立平面直角座標系 xOy ,令 y = (1 - x^2 ) ,動點 P(x,y),其座標 x , y 滿足方程 S = x + y 和 y = (1 - x^2 );

y = -x + S ① x^2 + y^2 = 1(y ≥ 0)② ;

數形結合思想之“座標法”在高中數學解題中的應用

例題2圖

① 的幾何意義是表示過動點 P(x,y)的相互平行的直線系,它們在縱軸上的截距為 S ;

② 的幾何意義是 P(x,y)以 (0,0)為圓心,1 為半徑的上半圓上的動點。

由圖可知,

當 ① 與半圓相切時,縱截距 S 取得最大值,其值可由原點到直線 y = -x + S 的距離是圓半徑 1 的等式關係得到,

即 S/√2 = 1 , Smax = √2 ;

當 ① 過點 A(-1,0)點時 S 取得最小值 Smin = -1

3、兩點間距離模式

如圖待解問題涉及或經過恆等變形可轉化為 [(x-x1)^2 + (y-y1)^2] 的形式,可用

兩點之間的距離 d = [(x-x1)^2 + (y-y1)^2] 模式,在根據相關約束條件研究 d 的變化規律,實現問題解決。

例題3、求函數 y = [x^2 + 2x + 2] + [x^2 - 6x + 10] 的最小值 。

解題思路:

函數 y = [x^2 + 2x + 2] + [x^2 - 6x + 10] = [(x+1)^2 +1^2] + [(x-3)^2 +1^2]

具有兩點間的距離模式,可把 [(x+1)^2 +1^2] 解釋為動點 P(x,0)與定點 A(-1,-1)間的距離;

[(x-3)^2 +1^2] 是動點 P(x,0)與定點 B(3,1)間的距離,而點 P(x,0)在 x 軸上運動,藉助圖形容易得到函數的最小值。

解:

建立如下圖所示的直角座標系,設 P(x,0),A(-1,-1),B(3,1)

則 y = [x^2 + 2x + 2] + [x^2 - 6x + 10] = ∣PA∣ + ∣PB ∣ ≥ ∣CA∣ + ∣CB ∣ =∣ AB∣ ;

因而 ymin = ∣ AB∣ = [(3+1)^2 + (1+1)^2 ] = 2√5

數形結合思想之“座標法”在高中數學解題中的應用

例題3圖


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