激发联想、学会构造

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  数学是一门创造性的艺术,蕴含着丰富的美,而灵活、巧妙的构造令人拍手叫绝,能为数学问题的解决增添色彩,更具研究和欣赏价值。构造法是一种极其富有技巧性和创造性的解题方法,体现了数学中发现、类比、化归的思想,渗透着猜想、探索、特殊化等重要的数学方法。美国著名数学教育家波利亚说过,掌握数学就意味着要善于解题。运用构造法解数学题可激发学生的发散思维,利于培养学生思维的敏捷性、创造性和解题能力。下面通过几个实例说明构造法的巧妙应用。
  引例:已知:a,b∈R 且a b=1.求证:■ ■≥■。
  要证明上述问题,方法很多,如比较法、分析法、综合法,但是此题是一个无理不等式,直觉上是要先转化为有理不等式,再通过平方后变形化简运用基本不等式即可完成。但问题是我们能否通过联想、构造法来解决这一问题呢,如何构造相对应的数学模型呢?本文以下简述几种常用的构造方法。
  一、依据几何特征,联想构造平面几何图形
  先仔细观察此题结构,联想相应的几何背景,借助背景图形的直觉功能,使较为抽象的数量关系转化为更直观的几何图形,以形助数,简单明了地抓住问题的本质。
  证明1:由■,■联想到勾股定理,它们都表示直角三角形的斜边长,因此可构造直角三角形来证明;
  如图1所示:AB=BC=CD=1,BE=a,CE=b,则AE=■,DE=■,AD=■。
  显然有AE DE≥AD,故原不等式成立,当且仅当E为BC的中点,即a=b时,等号成立。
  巩固练习1:若水杯中的b克糖水里含有a克糖,假如再添上m克糖,糖水会变得更甜,试将这一事实用数学关系式反映出来,并证明之。
  思路分析:此题反映的事实质上是化学问题,由浓度概念(糖水加糖甜更甜)转化为数学问题:已知实数a,b,m∈R 且a  证明:由题意得■<■(b>a>0,m>0)
  证明:(构造几何图形)如图2示,在Rt?驻ABC及Rt?驻ADF中,AB=a,AC=b,BD=m,作CE∥BD
  ∵?驻ABC∽?驻ADF,显然CF>CE,
  ∴■=■<■=■
  二、学会转化,构造平面内两点间的距离公式
  证明2:观察不等式结构联想到平面内两点距离公式,能否建立两者间的关系呢?
  显然原不等式中含有两个变量a、b,不防消去变量b,可得到■ ■≥■,即■ ■≥■。
  容易发现:左边表示x轴上动点P(a,0)(0  可构造图3:取B点关于x轴对称点C(1,-1),则|PA| |PB|≥|AC|=■,即证。
  证明3:通过均值代换构造两点距离公式;令a=■ m,b=■-m(-■  左边=■ ■=■ ■.塔表示x轴上动点Q(m,0)(-■  巩固练习2:问当x取何值时,函数y=■ ■有最小值,并求出最小值。
  解析:
  ∵ y=■ ■
  =■ ■
  =■ ■
  注意到此时观察式子结构特点,从而联想到平面两点距离公式,
  求y=■ ■的最小值就是求轴x上的点到A、B两点的距离之和的最小值。如图4示:作点A(1,-2)關于x轴的对称点A’(1,2),根据平面几何知识,A’B就是所求的最小值,易知:ymin=A’B=■=5。
  设P的坐标为(x,0),则由得■=■,得x=■,所以当x=■时,ymin=5。
  三、通过类比联想,直接构造复数或向量的模
  通过观察结构特征,发挥联想,对已有的认知结构模式相类比,从而探索问题新的意义,突破思维定势,构造新的模型,达到优化解题效果。
  证明4:由■,■联想到复数、向量的模及其三角定理。
  可设Z1=a i,Z2=b i.则|Z1|=■,|Z2|=■,|Z1 Z2|=■=■,再根据复数模定理|Z1 Z2|≤|Z1| |Z2|,即证■ ■≥■。
  四、分析关系特征,直接换元,构造三角函数模型。
  由关系式a b=1直接联想cos2θ sin2θ=1,可采用三角代换,将不等式问题转化到三角函数问题。
  证明5:令a=cos2θ,b=sin2θ(0<θ<■),则有:
  左边=■ ■=■ ■
  ≥2■
  =2■
  ∵ 0  ∴ 左边≥2■=2■=5,当且仅当θ=■时,即a=b时,等号成立。
  五、激活想象,发散思维,作较深层次的背景探究,回归构建基本函数模型
  本题表面上看是无理不等式的证明,并有两个变量相互制约,常采用纯不等式的方法去证明。但如何仔细挖掘此题的结构特征,能否联想到相关的函数模型,利用函数的图像、性质解决,是否更有效呢?
  证明6:由■,■联想到与函数f(x)=■有关,将问题转化到研究函数f(x)=■的性质入手,容易得到函数f(x)=■的图象是等轴双曲线y2-x2=1的上一支,且在第一象限。
  观察图像可发现f(x)=■在R上是凹函数。即满足■≥f(■)。因此■≥f(■)=f(■)
  ∴ f(a) f(b)≥2f(■)=■
  此解法思路颇为新颖,知识性较综合,具有较大的灵活性和技巧性。在运用过程中,应有目的、有意识地进行函数模型构造,始终“盯住”要证、要解的目标。有利于训练学生的思维能力和想象能力。
  由以上例题可看出构造法可以使某些抽象的代数问题直观化、生动化,能够变抽象思维为形象思维,有助于把握数学问题的本质。构造法其实质就是通过对条件和结论的分析,构造辅助元素,它可以是一个图形、一个方程(组)、一个等式、一个函数、一个等价命题等,架起一座连接条件和结论的桥梁,从而使问题迎刃而解,解题过程简捷明了。
  由此可见,构造法是多么的重要。但由于它异于常规的思维,因此掌握起来有一定难度。只要同学们平时多加强这方面的训练,在做题中要注意培养这种思想意识,开拓自己的思维视野,不断在实践中摸索,去粗取精,相信会取得很好的效果。
  责任编辑黄博彦
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