初中数学中“数形结合”的运用.docx

初中数学中“数形结合”的运用 初中数学中 “数形结合”的运用 一、以数助形“数〔代数〕”与“形〔几何〕”是中学数学的两个主要探究对象，而这两个方面是严密联系的．表达在数学解题中， 包括“以数助形”和“以形助数”两个方面．“数”与“形”好比数学的“左右腿”．全面理解数与形的关系，就要从“以数助形”和“以形助数”这两个方面来体会．此外还应当留意体会“数”与“形”各自的优势与局限性，相互补充．“数缺形时少直觉，形少数时难入微；数形结合百般好，隔离分家万事非．”华罗庚的这四句诗很好地总结了“数形结合、优势互补”的精要，“数形结合”是一种特别重要的数学方法，也是一种重要的数学思想，在以后的数学学习中有重要的地位．要在解题中有效地实现“数形结合”，最好能够明确“数”与“形”常见的结合点，，从“以数助形”角度来看，主要有以下两个结合点：〔1〕利用数轴、坐标系把几何问题代数化〔在中学我们还将学到用“向量”把几何问题代数化〕；〔2〕利用面积、距离、角度等几何量来解决几何问题，例如：利用勾股定理证明直角、利用三角函数探究角的大小、利用线段比例证明相像等． 例1．确定平面直角坐标系中随意两点A(x1，y1)和B(x2，y2)之间的距离可以用公式 AB?(x1?x2)2?(y1?y2)2计算．利用这个公式计算原点到直线y?2x?10的距离． 2x?10)是直线y?2x?10上的随意一点，它到原点的距离是 解：设P(x，OP?(x?0)2?(2x?10?0)2?5(x?4)2?20 当x??4时，OP最小?25． 所以原点到直线y?2x?10的距离为25．【说明】建立坐标系，利用坐标及相关公式处理一些几何问题，有时可以幸免添加协助线〔这是平面几何的一大难点〕．在中学“解析几何”里，我们将特地学习利用坐标将几何问题代数化．2mn和m?n〔m、例2．确定?ABC的三边长分别为m?n、n为正整数，且m?n〕．求?ABC的面积〔用含m、n的代数式表示〕．【分析】确定三角形三边求面积一般称为“三斜求积”问题，可用“海伦公式”计算，但运用“海伦公式”一般计算比拟繁，能幸免最好不用．此题能不能幸免用“海伦公式”，这要看所给的三角形有没有特别之处．代数运算比拟过硬的人可能利用平方差公式就可以心算出来：2222(m2?n2)2?(m2?n2)2?(2m2)(n22?)?ABC的三边满意勾股定理，，即?ABC(m2n也就是说，)是一个直角三角形．“海伦公式”：三角形三边长为a、b、c，p为周长的一半，那么三角形的面积S为：S?p(p?a)(p?b)(p?c)．解：由三边的关系：(m?n)?(2mn)?(m?n)． 所以?ABC是直角三角形． 所以?ABC的面积?22222221?(m2?n2)(2mn)?mn(m2?n2)． 2【说明】利用勾股定理证明垂直关系是比拟常用的“以数助形”的手法．另外，娴熟的代数运算在这道题中起到了比拟重要的作用．代数运算是学好数学的一个根本功，就像武侠小说中所说的“内 1 功”，没有必须的内功，单单依靠所谓的“武林秘笈”是起不了多少作用的．例3．直线y?bx?c与抛物线y?ax2相交，两交点的横坐标分别为x1、x2，直线y?bx?c与x轴的交点的横坐标为x3．求证：111??． x3x1x2【分析】此题是探究抛物线和直线相交的相关问题，只是由于a、b、c的符号不确定，导致抛物线和直线在坐标系中位置不确定，考虑问题须要进展分类探讨，比拟麻烦．假如将问题代数化，看成有关方程的问题，进展相关的计算，就省去了分类的麻烦．解：∵直线y?bx?c与x轴的交点的横坐标为x3， ∴bx3?c?0． ∴x3??c． b1b??． x3c∵直线y?bx?c与抛物线y?ax2两交点的横坐标分别为x1、x2， ∴x1、x2为关于x的一元二次方程ax?bx?c?0的两个不等实根．2bc，x1x2??． aab11x1?x2b∴???a??．cx1x2x1x2c?a∴x1?x2?∴111??． x3x1x2例4．将如图的五个边长为1的正方形组成的十字形剪拼成一个正方形． 【分析】这是一类很常见的问题．假如单单从“形”的角度来思索，唯恐除了试验，没有其它更好的方法了．但是假如我们先不忙考虑怎样剪裁，而是先从“数”的角度来算一下，我们不难利用面积算出剪拼出来的正方形边长应当是5．此时此刻我们只须要在图中找出来一段边长为5的线段，以此为一边作一个正方形〔如图〕，我们就不难设计出各种剪裁方法了．【说明】有人把这种方法叫做“面积法”，其实“面积法”这个名字并没有提醒这类方法的全部本质．“面积”是剪拼问题中的一个“不变量”，几乎全部的剪拼问题，都可以先抓住“面积”这个不变量来进展“数”的计算．另一方面，“面积”本身就是从“数”的角度来刻画“图形”的大小特征的一个概念．因此，所谓“面积法”，事实上就是“数形结合”这种数学思想的一种详细表达． 2 二、以形助数几何图形具有直观易懂的特点，所以在谈到“数形结合”时，更多的教师和学生更偏好于“以形助数”，利用几何图形解决代数问题，时时会产生“稀奇制胜”的效果，使人愉悦．几何直观运用于代数主要有以下几个方面：〔1〕利用几何图形协助记忆代数公式，例如： 正方形的分割图可以用来记忆完全平方公式；将两个全等的梯形拼成一个平行四边形可以用来记忆梯形面积公式；等等．〔2〕利用数轴或坐标系将一些代数表达式给予几何意义，通过构造几何图形，依靠直观协助解决代数问题，或者简化代数运算．比方：肯定值的几何意义就是数轴上两点之间的距离；数的大小关系就是数轴上点的左右关系，可以用数轴上的线段表示实数的取值范围；互为相反数在数轴上关于原点对称〔更一般地：实数a与b在数轴上关于a?b对称，换句话说，2数轴上实数a关于b的对称点为2b?a〕；利用函数图像的特点把握函数的性质：一次函数的斜率〔倾斜程度〕、截距，二次函数的对称轴、开口、判别式、两根之间的距离，等等；一元二次方程的根的几何意义是二次函数图像与x轴的交点；函数解析式中常数项的几何意义是函数图像与y轴的交点〔函数在x?0时有意义〕； 锐角三角函数的意义就是直角三角形中的线段比例．例5．确定正实数x，求y?x2?4?(2?x)2?1的最小值．222222分析：可以把x?4?(2?x)?1整理为(x?0)?(0?2)?(x?2)?(0?1)， 0)到两点〔0，2〕和〔2，1〕的距离即看作是坐标系中一动点(x，之和，于是本问题转化为求最短距离问题． 解：y?y2AB(x?0)2?(0?2)2?(x?2)2?(0?1)2，1 0)、A〔0，2〕和B〔2，1〕令P(x，，那么y?PA?PB． ?1)，那么y的最小值为作B点关于x轴的对称点B'(2，-1O1P2xB'AB'?32?22?13．例6．确定tan??11，tan??，求证：????45?． 23【分析】依据正切函数的意义不难构造出满意条件的角?、?〔如图〕，怎样构造这两个角的和是解决这个问题的关键．将图〔1〕中下面的图翻转到上图的下面，就形成了如图〔2〕的图形，角???也就构成了．证明：如图〔2〕，连接BC，易证：?ABD≌?CBE，从而?ABC是等腰直角三角形，于是：????45?． 3 图〔1〕 图〔2〕例7．求函数y?x?1?x?2?x?3的最小值． 【分析】如图，设数轴上表示数－1、2、3、x的点分别为A、B、C、P〔P为动点〕，那么表示P到A、B、C三点之间的距离之和，即y?PA?PB?PC．A-2-1POxB12C34xy6PA?PB?PC最简单看出：当且仅当点P和点B重合时，小，所以y最小?AB?BC?4．例8．假设关于x的方程x?2kx?3k?0的两根都在－1和3之间，求k的取值范围．【分析】令f(x)?x2?2kx?3k，其图象与x轴的横坐标就是方程f(x)?0的解．由y?f(x)的图象可知，要使两根都在－1和3之间，只须：254321f(?1)?0，f(3)?0，f(?b)?f(?k)?0同时成立，2a-2-1-1O123x由此即可解得?1?k?0或k?3．其中，f(?1)表示x??1时的函数值．解：令f(x)?x?2kx?3k，由题意及二次函数的图象可知：2?f(?1)?0?(?1)?2k(?1)?3k?0?2?f(3)?0即 ??3?2k?3?3k?0?f(?k)?0?2(?k)?2k(?k)?3k?0??解得：?1?k?0或k?3．-22【说明】一元二次方程，一元二次不等式均与二次函数有亲密的关系，有关二次方程、二次不等式中较繁难的问题运用二次函数的图象来解决时时会起到意想不到的效果．2例9．假设a?0，且b?a?c，求证：方程ax?bx?c?0有两个相异实数根． 4 【分析】首先可以想到的思路当然是证明??b?4ac?0，但这并不简单．留意到二次方程与二次函数的关系，把“二次方程有两个相异的实根”这个代数命题“翻译”成几何命题就是“二次函数的图象与x轴有两个交点”．考虑到此时a?0，抛物线开口向上，这个几何命题可以进一步等价转化成“二次函数的图象有一局部位于x轴的下方，再把它翻译成代数命题就是“二次函数至少在某一点上的函数值小于0”．证明：考察函数y?ax2?bx?c， ∵a?0，∴此抛物线开口向上．又∵b?a?c，即a?b?c?0，∴当x??1时，二次函数的值f(?1)?0．故抛物线与x轴有两个交点，从而方程有两个不等实根．例10．确定：对于满意0?p?4的全部实数p，不等式x2?px?4x?p?3恒成立，求x的取值范围．【分析】不等式x2?px?4x?p?3可以变形为x2?4x?3??p(x?1)． 考察二次函数y1?x2?4x?3?(x?2)2?1和一次函数y2??p(x?1)．原不等式的几何意义是“二次函数y1的图象在一次函数y2的图象的上方”．原题条件的几何意义是“无论实数p取0?p?4之内的什么实数，二次函数y1的图象总是在一次函数y2的图象的上方”．把原题所求的问题重新表述一下，就是：当x取那些实数时，可以保证“无论实数p取0?p?4之内的什么实数，二次函数y1的图象总是在一次函数y2的图象的上方”这个命题正确．此时此刻我们探究这两个函数的图象〔如图〕：二次函数y1的102y101图象是一条固定不变的抛物线．但是一次函数y2的图象随之p的改变绕〔1，0〕旋转，当p?0，y2?0时，是与x轴重合的一条直线；当p?4，y2??4x?4是一条截距为4的直线，它与抛物线y1的交点坐标为〔－1，8〕．当实数q取遍0?p?4之内的全部实数时，直线y2所过了图中的阴影区域．结合图形，我们再一次把原问题重新表述一下：当x取哪些实数时，可以保证“二次函数y1的图象总是在图中的阴影区-3-2-17654321-1-2O12345x域的上方”．视察图象，我们不难得到x??1或x?3，所以原问题的结论就是：x的取值范围是x??1 5或x?3．【说明】此题一起先为什么要对不等式作这样的变形？盼望大家在完全理解这道题的解题思路后谨慎思索一下这个问题，习惯对这类问题的反思在中学数学学习中特别重要．利用函数图象解决不等式问题是一种比拟常见的数形结合的方法，这种方法的要点是把不等式变形成两个可以画出图象的函数〔值〕比拟．初三数学 “数形结合”习题〔1〕1．确定平面直角坐标系中随意两点A(x1，y1)和B(x2，y2)之间的距离可以用公式AB?(x1?x2)2?(y1?y2)2计算．利用这个公式计算原点到直线y?2x?10的距离． 2．确定?ABC的三边长分别为。