力求把方程标准化,转化成我们熟悉的结构.
研究方程组的中心思想只有一个:消元.但是,消元的方法很多,有加减消元法、代入消元法、平方相加消元法、整体代换消元法等.
对于那些非常规的方程或方程组,都应该将其进行转化,通过合并、有序排列、去分母、去根号、去绝对值号等措施,促使方程组向简单、明确的方向转化.
当然,如果不解方程组,通过研究方程组与结论之间的关系直接将其转化成答案,那更是上上之策.
例10 已知圆C的圆心在y轴上,截直线3x+4y+3=0所得弦长为8,且与直线3x-4y+37=0相切,求圆C的方程.
探究:显然,该题还是待定系数法,圆心坐标是核心元素.
假设圆心C(0,b),半径为r.
圆C截直线3x+4y+3=0所得弦长为8,弦心距
由勾股定理,得:
圆C与直线3x-4y+37=0相切,所以
联立①②得
粗看起来,这个方程好像有些繁杂,但是如果你仔细观察它的结构特征不难发现,运用平方差公式进行化简可能是最佳选择.
上述方程可化为
这是一个一元一次方程,利用“平方差公式”,易得b=3、r=5,
所求圆的方程为x2+(y-3)2=25.
说明:在解方程的过程中,越是那种大块代入的复杂结构,我们越要细致观察其结构特点,力求从中发现规律性的、可以简化运算的“阳光地带”,对其稍加开发,在保护它的“原生态”特点的同时,优化它的结构特征,成功往往就在眼前.所以研究此类问题,整体观点和耐心细致的心理品质是很重要的,自觉地进行这方面的训练也是高层次学习的重要方式.
例11 一种自行车轮胎,若把它安装在前轮,则自行车行驶5000km后报废;若把它安装在后轮,则自行车行驶3000km后报废.某自行车的前后轮胎都是同一种配置.为了使轮胎利用率最高,最终行驶路程最长,行驶一定路程后可以交换前、后轮胎.那么这辆车最多能行驶多远.
探究:显然,为了使行驶路程最长,交换轮胎后最后两个轮胎同时报废,这样它们的总路程相等.
假设交换轮胎前的路程为xkm,交换轮胎后的路程为ykm.
考察开始阶段的前轮A:它在前半程里当前轮使用,耗尽了其生命的;它在后半程里当后轮使用,耗尽了其生命的,然后报废,走到了生命的尽头.
所以,即3x+5y=15000.……①
同理,对于开始阶段的后轮B有:
,即5x+3y=15000.……②
按照常规,联立方程组可以分别求出x、y的值,但是观察上述方程的结构特征,兼顾结论(x+y)的需要,我们可以有更好的选择:
①+②可得8x+8y=30000,所以总路程x+y=3750km.
其实,进一步的计算①-②可得x=y,也就是前半程和后半程相等,均为1875km.
说明:本题通过引进字母(待定系数),通过对前后轮的全程分析,采用拟人的语言,人性化地得到两个方程,这符合应用题的基本解法特征.但是在解方程组的时候,我们通过对条件、结论的对比观察,兼顾方程组与结论的相似性,有时会发现更加简洁的通道而直达目标.
例12 二次函数f(x)满足:f(-1)=0,且对所有实数x,不等式x≤恒成立.
(1)求f(1)的值;(2)求f(x)的表达式.(www.xing528.com)
探究:本题的主要条件是不等式组,由此得到函数的表达式,由系数的范围得到系数的值,从而将不等式问题转化成等式问题,所以条件结构的观察和发展至关重要.
(1)由恒成立,可以强行突破至f(1),只能对其赋值x=1.此时1≤f(1)≤1,所以f(1)=1.(问题如此巧妙,我们只能相信这是上天的安排)
(2)求二次函数的表达式,又是待定系数法的分内之事.
假设f(x)=ax2+bx+c(a≠0),由f(-1)=0和f(1)=1可得:
a-b+c=0,a+b+c=1.
把a看成常数,两式相加和相减可得
所以
由恒成立,即恒成立,可得,所以
又是巧遇完全平方式!
可以验证,此时恰有恒成立,
所以
说明:充分发展条件,让消元成为一种习惯,解方程组便会少了一些选择的烦恼.在研究不等式组的过程中,不忘待定系数法,力求将不等式问题转化成方程问题,这是该题中列方程、解方程的自觉行为.
例13 已知圆满足:①截y轴所得弦长为2;②被x轴分成两段圆弧,其弧长的比为3∶1;③圆心到直线l:x-2y=0的距离为.求该圆的方程.
探究:最自然的想法还是待定系数法,不过画出图形可能会更明了.
如图,设圆心为P(a,b),半径为r,则点P到x轴、y轴的距离分别为|b|,|a|.设圆与y轴的两个交点为A,B,圆与x轴的两个交点为C,D.
因为圆P被x轴分成两段弧长的比为3∶1,所以圆P截x轴所得劣弧对的圆心角为90°.在等腰直角△PCD中,易得弦长,故r2=2b2.
例13图
又圆P截y轴所得的弦长为2,所以在等腰△PAB中,由弦长为2、弦心距为|a|,可得r2=a2+1,从而得2b2-a2=1.……①
又点P(a,b)到直线x-2y=0的距离为,即a-2b=±1.
将a-2b=1与①联立易得b2+2b+1=0(完全平方式!),
所以a=b=-1,此时
同样,将a-2b=-1与①联立易得a=b=1,此时
于是,所求圆的方程是(x-1)2+(y-1)2=2或(x+1)2+(y+1)2=2.
说明:本题通过数形结合,利用圆与坐标轴交成的两条弦,结合弦心距的直角三角形构建方程组,这是解决圆的方程问题的常规方法.但是,在研究最后一个方程的时候意外发生了:
即|a-2b|=1.
如何将这个非常规的绝对值方程与另外两个方程联合起来求出a,b,r的值成了本题的关键.去绝对值有两种方法:分类讨论和两边平方.展望一下,后者难度较大,所以我们选择了分类讨论去掉绝对值符号的方法,结果问题的进展比预期的还顺利.
总之,待定系数法在研究某些结论固定、形式明确、条件中等量关系充足的问题时往往能发挥决定性的作用.我们需要把控好“设”“列”“解”“答”这四个环节里面的基本原则,充分地发展条件,完备地转化结论,把整个问题置于相对稳定的方程系统之内.在此基础上,我们还需要看清问题的全貌,进一步明确问题的整体研究方向.另外,消元意识、方程思想及运算能力是数学的核心能力,需要我们在问题研究中不断地进行锻炼和总结.
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