在寻找解题思路遇到困难的时候,不妨通过挖掘已知条件的内涵,发现式子的几何意义,利用几何图形的直观性解决问题,若在解题过程中遇到令人望而生畏的繁杂运算,不妨借助图形去开辟新路;在需要检验结论的正确性时,也不妨借助图形去验证,这是以形助数的解题策略,当然构造图形是个技术活,需要积累,更需要联想,但是光有以形助数是不够的,正如华罗庚先生所言:“数无形时少直观,形少数时难入微.”我们还要善于用数解形,借助数量的计算和分析,使问题的解决严谨化、精确化.
例1 设求证:sinx<x<tanx.
解题策略 本例用代数法直接证明比较困难,如果能将要证明的不等式构造成相应的图形,利用图形中的面积关系(局部小于整体)论证,显得直观清晰.
证明 如图7-4所示,作一个半径为1,圆心角为x的扇形且BC⊥OD,AD⊥OD,易得△OBD的面积为
图7-4
扇形的面积为
△OAD的面积
结合图形,根据局部必小于整体,明显有:
S△OBD<S扇形<S△OAD.
∴sinx<x<tanx.
例2 已知A(1,1)为椭圆内一点,F1为椭圆的左焦点,P为椭圆上一动点,求|PF1|+|PA|的最大值和最小值.
解题策略 求解有关圆锥曲线的最值问题,通常建立函数表达式,利用函数与方程的思想解决,但有时这种解法不一定行得通,有时函数表达式很难建立,即使辛辛苦苦建立起来,求最值也难以操作,这时,若能结合图形,考虑用圆锥曲线的定义来解,有效且显得特别简单.
解:由可知左焦点F1(-2,0),右焦点F2(2,0),由椭圆定义,知|PF1|=2a-|PF2|=6-|PF2|,
∴|PF1|+|PA|=6-|PF2|+|PA|=6+|PA|-|PF2|,
图7-5
如图7-5所示,由知
当点P在AF2的延长线上的点P2处时,取右“=”;
当点P在AF2的反向延长线上的点P1处时,取左“=”,
即|PA|-|PF2|的最大值、最小值分别为
于是|PF1|+|PA|的最大值是最小值是
例3 如图7-6所示,设抛物线C:y=x2的焦点为F,动点P在直线l:x-y-2=0上运动,过P作抛物线C的两条切线PA,PB,切点分别为A,B,求证:∠AFP=∠BFP.
解题策略 本例是直线与抛物线的位置关系问题,证明当动点P在已知直线上运动,过点P作抛物线的切线PA,PB,A,B为切点,F为抛物线焦点,证明无论P在已知直线上怎样运动,始终有∠AFP=∠BFP,而角度问题与向量的数量积关系紧密,所以可从数量积入手,把几何关系转化为数量关系,通过“计算”(这里是数量积的坐标运算)可得出所证的结论.(www.xing528.com)
图7-6
证明 设切点A,B的坐标分别为和
可得切线AP的方程为切线BP的方程为解得点P的坐标为
则
由于点P在抛物线外,即
同理有
综上可知∠AFP=∠BFP.
例4 a,b,c均大于零,且a2+b2+c2=1.求证:
解题策略 根据条件a2+b2+c2=1,可将待证式变更为观察左端各根式形状结构联想到勾股定理,似可构造长方体来解决问题,一道较为复杂的条件不等式证明题立即有了明朗的证明方向,真可谓“柳暗花明又一村”.
证明 构造以a,b,c为三条棱的长方体ABCD-A1B1C1D1,如图7-7所示,其中AA1=a,A1B1=b,A1D1=c.
图7-7
由a2+b2+c2=1,知长方体的体对角线长为1,联结AB1,AD1,AC1和A1C1,
有
在△AB1C1中,∵AB1+B1C1>AC1,
同理,
三式相加并整理,即得
亦即
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