浅谈中学数学中的数形结合

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  在中学数学中,代数主要研究“数”的问题,而几何中则主要学习“形”的知识。但“数”与“形”并不是彼此独立,而是相互依存、密切联系的。它们在一定条件下可以相互转化。若能将两者完美地结合起来,取长补短,则往往会收到意想不到的效果。
  
  一、 绝对值问题
  
  二、 最值问题
  
  求函数的最大值与最小值问题是中学数学的重要课题,这类问题通常称为最值问题。最值问题涉及面较广泛,遍及代数、几何、三角各科之中,在生产实践中也有广泛应用。求最值问题的方法也很多,而数形结合的方法是其中常用方法之一。请看这样一个例子:
  例2 已知2x+5y≥11,5x+4y≥19,且x≥0,y≥0。求使7x+6y取得最小值的x,y和最小值。
  解析 对于这类条件最值问题,直接代入不易求解。从解析几何知识可知,满足2x+5y≥11的点在直线L1:2x+5y=11上和它的右上方,如图2。同理满足5x+4y≥19的点在直线L2:5x+4y=19上和它的右上方。加上x≥0,y≥0,满足这四个条件的点,在如图的阴影部分内。其中P点坐标就是方程组:
  2x+5y=11,5x+4y=19的解x=3,y=1。
  然后我们研究方程7x+6y=a。
  对于不同的a,它表示一组互相平行的直线。本题就是要求这些平行线中与阴影部分有公共点,并且使a最小的一条。从图中可看出过P点的直线L:7x+6y=27满足。因为如果a<27,虽有最小值,但不是公共点。这样,我们找到本题的答案:x=3,y=1,最小值是27。
  
  三、 三角问题
  
  三角是中学数学中的一个重要部分。三角知识在函数、几何等方面有着广泛应用,是解决数学问题的强有力的工具。因此,许多三角问题都可能转化为几何问题,通过相应的几何图形加以解决。
  如果题中出现cos2α+cos2β+cos2γ=1之类的式子,则可设想向量的方向角,或考虑构造一个长方体(其对角线与过一个顶点的三邻边所成的角正好满足上述关系),这往往是一种行之有效的方法。
  例3 已知三锐角α,β,γ满足cos2α+cos2β+cos2γ=1。
  这里通过构造一个适合题设条件的长方体,将一个抽象的三角不等式的证明,转化为一个较易证明的代数不等式,而数形结合在这里起到了桥梁作用。
  从上面几个例子可以看出,一些三角和代数的问题,如果运用了数与形相结合的观点去考虑,就能容易地找到解决问题的方法,解题过程也比较简单。而且通过直观的几何图形,对问题的内在联系可以有更深一步的了解。
  上面几例主要是利用“形”来解决有关数的问题。下面再举一个例子说明利用数解决形的问题。
  例4 在直径为AB的半圆O上取一点C,引CD⊥AB交AB于D,分半圆为两部分。另作圆O′内切于右边部分,E为圆O′与AB的切点。
  求证:BC=BE。
  分析 此题用几何方法比较难证,我们利用解析法来证。
  证明 取O为原点,BA为x轴,设大圆半径为R,小圆半径为r,则大圆方程是x2+y2=R2,B点坐标是(-R,0),设C
  以上的例子充分说明,虽然代数、几何、三角这三门学科各有其特点和思考问题的方法,但是完全有可能也完全有必要把这三门学科的知识联系起来,也就是把数和形的问题结合起来。
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