慎用数形结合解题

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  许多数学问题直接根据数量关系求解显得较为繁难,但若能将欲解(证)的问题转化为与之相关的图形问题,再根据图形的性质和特点进解题,将会使问题的解答简易直观、别具一格.但在数形结合的过程中,必须遵循下述原则:转化等价原则,数形互补原则,求解简单原则.如果违反了上述原则,常常会步入数形结合的误区,下面从四个方面阐述数形结合不当而引起的错误.
  一、数形结合中无中生有产生错解
  借形解题有独到的效果,但若忽视图形的存在性,只凭主观想象,无中生有,则会造成错解.
  例1已知抛物线y2=x上有一条长为l的动弦AB,求AB的中点M到y轴的最短距离.
  错解:如图1,F(14,0)为抛物线的焦点,l′为其准线,AE⊥l′,BG⊥l′,MN⊥l′,E、G、N为垂足,则xM+14=|MN|=12(|AF|+|BF|)≥12|AB|=l2,所以xM≥l2-14,即AB的中点M到y轴的最短距离l2-14.
  图1
  分析:上述解法中不等式取等号的条件为动弦AB过焦点,经过抛物线焦点的弦中,以通径(即过焦点且垂直于对称轴的弦)最短,而抛物线y2=x的通径为1,因此,当l<1时,上述“数形结合”中的“形”是不存在的.
  
  点评:此题运用函数分析法,问题得到圆满解决,所以应注意到数形结合法的局限性,对于本题还是要放在函数的单调性上来分析解决最值问题.
  二、数形结合图形失真产生错解
  借形解题,不仅要画出相应图形的大致草图,而且要尽量准确地描绘出图形;必要时还需对图形的直观分析给出严密性的推理.
  例2方程x2=2x的解的个数为()
  A. 0B. 1C. 2D. 3
  错解:在同一坐标系内作出函数y=x2,y=2x的图象,如图2所示,它们有两个交点,故选C.
  分析:此题由于草图粗糙而导致误判,事实上,当x<0时,两图象显然有一个交点;当x>0时,考察函数y=x2和y=2x的增长“速度”变化,即知它们有两个交点,即(2,4)和(4,16),故正确答案应为D.
  图2
  三、数形结合以偏概全产生错解
  借助图形解题时,必须考察图形的所有可能性,思维严谨,来反映代数性质的全貌,以求得问题的完整解答.
  例3已知直线y=3-x和坐标轴交于A、B两点,若抛物线y=-x2+mx-1和线段AB有两个不同的交点,求实数m的范围.
  错解:令f(x)=-x2+mx-1,结合图3知抛物线和AB有两个交点需满足:f(0)≤3
  f(3)≤0
  0≤m2≤3
  f(m2)>3-m2,解之得-1+17  图3
  分析:上述解法错误地认为抛物线的顶点需在线段AB上方,事实上它忽略了顶点在线段AB下方而抛物线与AB有两交点的情形
  正解:将y=3-x代入抛物线方程即得x2-(m+1)x+4=0,欲满足题设条件,只须此方程在[0,3]内有两不同实根,令f(x)=x2-(m+1)x+4,则
  f(0)≥3
  f(3)≥0
  0  Δ>0,解之得3  四、数形结合逻辑循环产生错解
  在许多问题中,图形的直观结论是依靠数式关系来刻画的,此时,若用图形的直观结论(未经严密论证)来证明数式关系,便往往会步入逻辑循环的误区.
  例4已知等差数列{an}及等比数列{bn}中,a1=b1,a2=b2,且这两个数列都是严格递增的正项数列,求证:当n>2时,an  错证:设{an}的公差为d(d>0),{bn}的公比为q,则an=dn+(a1-d),bn=b1qn-1,从而,点(n,an)在直线y=dx+a1-d上,点(n,bn)在曲线y=b1qx-1上,由已知它们必有两个交点A(1,a1)和B(2,a2),由图4知,当n>2时,an  图4
  分析:题目欲证n>2时an2)正是我们所要证明的等价命题,由于直线和指数类函数曲线的位置关系未经严密论证,故上述证法属于逻辑循环的误证,事实上,此题我们可以给出一个简捷的代数证法.
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