• 思维训练素材整理


    前言

    一直在想,我们该如何启发学生的思维,受一篇帖子的启发,偶发感想,对高中数学中暂时能想到的素材做以整理,以飨读者。

    由数到式

    A+、解方程中的由数到式,单项式到多项式

    下面的表达式我们肯定经常见到,但是不大会引起我们的共鸣。

    [1^2-3 imes1+2=0 ]

    [2^2-3 imes2+2=0 ]

    那么你有没有想过,如果我们用一个未知数(x)同时替换上式中的(1)(2)
    就得到了一个相同的式子,就是(x^2-3x+2=0),这就是一元二次方程。

    这样的一元二次方程一般都会求解,要么用公式法,要么分解为((x-1)(x-2)=0)

    利用实数的性质,得到(x=1)(x=2)

    问题是你有没有思考过,这个替换过程中,已经体现了由数(1(2))到未知数(x)的提升,思维已经完成了由算术到代数的质的飞跃,也就是说,已经开始用字母代替数字思维了。也许这是个了不起的变化。

    为什么这么说呢?我们可以这样想,求解这个方程,(x^4-3x^2+2=0),我们其实可以这样做,

    (x^2=tge 0),则原方程就会转化为(t^2-3t+2=0),可以先解出(t=1)(t=2)

    然后再求解(t=x^2=1)(t=x^2=2),从而解得(x=pm 1)(x=pm sqrt{2})

    其实,我们只是使用了代数变换,或者整体思想,就解决了我们看起来很困难的问题。这是一个了不起的变化。

    一旦我们的思维被打通,那么我们能解决的问题,就绝不止这些了。

    比如求解这样的方程$$(e^x)^2-3e^x+2=0$$ $$(log_2x)^2-3log_2x+2=0$$ $$(sqrt[3]{x+1})^2-3sqrt[3]{x+1}+2=0$$ $$(sin heta)^2-3sin heta+2=0$$ $$(cos heta)^2-3cos heta+2=0$$
    只是分别做了这样的整体代换(t=e^x)(t=log_2x)(t=e^x)(t=sqrt[3]{x+1})(t=sin heta)(t=cos heta)而已。

    甚或我们还可以完成有单项式到多项式的替换,这样我们的思维层次就更高一些了,
    比如求解$$(log_2x+1)^2-3(log_2x+1)+2=0$$ $$(sin heta-1)^2-3(sin heta-1)+2=0$$
    也无非就是让模型(t^2-3t+2=0)中的未知数变得更复杂,(t=log_2x+1)而已,

    看到这里,你能仿照着编写一个求方程的题目吗?

    这样我们不就有了些许的学习成就感了吗?

    B、解不等式中的数到式,单项式到多项式

    解这样的不等式(x^2-3x+2<0),解集是({xmid 1<x<2}),高三的学生基本是手到擒来,

    但是你有没有想过,这样的(x)或许还可以是式子,比如(|x|^2-3|x|+2<0)

    那么比照上面的解法,只是用(|x|)替换了(x),我们肯定能得到(1<|x|<2)

    然后问题转化为解绝对值不等式,(1<|x|<2),得到解集为(1<x<2)(-2<x<-1)

    (|x|<1)得到(-1<x<1),那么由(|2|x|-1|<1),能得到什么?(-1<2|x|-1<1),即(0<2|x|<2),即(0<|x|<1),解得(-1<x<0)(0<x<1)

    那么下面的不等式你会解吗?

    (e^{2x}-3e^x+2<0)(e^xlongrightarrow x)

    (log_2^2x-3log_2x+2<0)(log_2xlongrightarrow x)

    ((sinx+1)^2-3(sinx+1)+2<0)(sinx+1longrightarrow x)

    (x^4-3x^2+2<0)(x^2longrightarrow x)

    再比如,当我们会解三角不等式 (2sinx>1),解集为({xmid 2kpi+cfrac{pi}{6}<x<2kpi+cfrac{5pi}{6}})

    那么,(2sin(3x+cfrac{pi}{4})>1),理解了上述的表达,

    你就会写出此不等式的解集为({3x+cfrac{pi}{4}mid 2kpi+cfrac{pi}{6}<3x+cfrac{pi}{4}<2kpi+cfrac{5pi}{6}})

    再整理为({xmid cfrac{2kpi}{3}-cfrac{pi}{36}<x< cfrac{2kpi}{3}+cfrac{7pi}{36}})

    C、算法中的思维训练

    5、已知(tanalpha=cfrac{1}{2}),求(sin^4alpha-cos^4alpha)的值。

    【法1】:方程组法,由(left{egin{array}{l}{cfrac{sinalpha}{cosalpha}=cfrac{1}{2}}\{sin^2alpha+cos^2alpha=1}end{array} ight.)

    解得(sin^2alpha=cfrac{1}{5})(cos^2alpha=cfrac{4}{5})

    代入得到(sin^4alpha-cos^4alpha=-cfrac{3}{5})

    【法2】:齐次式法,(sin^4alpha-cos^4alpha=(sin^2alpha-cos^2alpha)(sin^2alpha+cos^2alpha)=sin^2alpha-cos^2alpha)

    (=-cos2alpha=-cfrac{cos^2alpha-sin^2alpha}{sin^2alpha+cos^2alpha}=cfrac{1-tan^2alpha}{1+tan^2alpha}=-cfrac{3}{5})

    【法3】:由(cfrac{sinalpha}{cosalpha}=cfrac{1}{2}),引入比例因子,可设(sinalpha=k)(cosalpha=2k(k eq 0))

    (k^2+(2k)^2=1),可得(k^2=cfrac{1}{5}),故(k^4=cfrac{1}{25})

    (sin^4alpha-cos^4alpha=k^4-(2k)^4=-15k^4=-cfrac{3}{5})

    8、三角函数中的齐次式

    比如:(cfrac{asin heta+bcos heta}{csin heta+dcos heta}xlongequal[分子分母是sin heta,cos heta的一次齐次式]{分子分母同除以cos heta}cfrac{a an heta+b}{c an heta+d}) ((a,b,c,d)为常数);

    小结:实现了二元(sin heta、cos heta)向一元(tan heta)的转化;

    比如:(cfrac{sin2 heta-cos^2 heta}{1+sin^2 heta}=cfrac{2sin heta cos heta-cos^2 heta}{2sin^2 heta+cos^2 heta}xlongequal[分子分母是sin heta,cos heta的二次齐次式]{分子分母同除以cos^2 heta}cfrac{2tan heta-1}{2tan^2 heta+1})

    小结:实现了二元(sin heta、cos heta)向一元(tan heta)的转化;

    再比如:(asin2 heta+bcos2 heta=cfrac{asin2 heta+bcos2 heta}{sin^2 heta+cos^2 heta}=cfrac{a an heta+b-b an^2 heta}{tan^2 heta+1})

    其余留作思考:(sin2 heta)(cos2 heta)(1+sin2 heta)(2-cos2 heta)(3sin2 heta-2cos2 heta) 等等

    C、从算术到代数的演变

    理解数学的本质提高学生数学素养

    D、注意数学知识的给出方式,

    例说学习方法的改造和提升

    函数的单调性

    E、用四则运算构造新函数

    构造函数的角度

    F、从简原则,变量集中

    变量集中思想的应用

    五、向量的使用,新工具的作用的体会

    六、参数方程中的参数,参数的几何意义,变量集中,

    七、线性规划的引申,由数到形,如求(cfrac{y+2}{x-1})的取值范围。

    八、进退结合,

    九、求解(lnx=1-x)的体会,数行不通,换形。代数方程到超越方程。

    十、由(a_{n+1}=pa_n+q)构造到(a_{n+1}=3a_n+8n+6)的构造等等;

    十一、用临界位置打通数形联系

    (x^2+y^2=1),我们知道这是个圆,即圆上的所有点构成的点集;

    那么(y=sqrt{1-x^2}),应该是(x)轴上方的单位圆;

    那么碰到(0leq yleq sqrt{1-x^2})呢?

    先用等号替换不等号得到(y=0)或者(y=sqrt{1-x^2})

    其分别刻画的是(x)轴和(x)轴上方的单位圆;

    (0leq yleq sqrt{1-x^2})刻画的应该是(x)轴上方的单位圆和单位圆的内部;

    十二、归纳推理,类比推理

    数列的前(n)项和(S_n);数列的前(n)项积(T_n)

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