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構造函數法在解題中的應用

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摘要:函數思想是數學思想的有機組成部分,它在數學解題中的應用越來越廣泛。本文就構造函數這一方法在不等式、數列、方程有解及恆成立問題等方面的應用舉例說明。
關鍵詞:函數思想;構造函數;不等式;方程;應用
        函數思想,指運用函數的概念和性質,透過類比聯想轉化合理地構造函數,然後去分析、研究問題,轉化問題並解決問題。因此函數思想的實質是用聯繫和變化的觀點提出數學對象,抽象其數量特徵,建立函數關係。
        函數思想在數學應用中佔有重要的地位,應用範圍很廣。函數思想不僅體現在本身就是函數問題的高考試題中,而且對於諸如方程、三角函數、不等式、數列、解析幾何等問題也常常可以透過構造函數來求解。
        根據需要,構造輔助函數是高等數學中一種常用的方法,這種方法也已滲透到中學數學中。首先解題中若遇到有關不等式、方程及最值之類問題,設法建立起目標函數,並確定變量的限制條件,用函數的觀點加以分析,常可使問題變得明瞭,從而易於找到一種科學的解題途徑。其次數量關係是數學中的一種基本關係。現實世界的複雜性決定了數量關係的多元性。因此,如何從多變元的數量關係中選定合適的主變元,從而揭示其中主要的函數關係,有時便成了數學問題能否“明朗化”的關鍵所在。下面我們舉例說明構造函數的方法在解題中的應用。
        一、構造函數解決有關不等式的問題
        有些不等式證明和比較大小的問題,如能根據其結構特徵,構造相應的函數,從函數的單調性或有界性等角度入手,去分析推理,證明過程就會簡潔又明快。
        例1:若  ,則 的大小關係是        。
        分析:式中各項的結構相同,只是字母不同,故可構造函數 進行判斷。
        解:構造函數 ,易證函數  在其區間 是單調遞增函數。
        例2(2008年山東理):已知函數 其中  爲常數。當 時,證明:對任意的正整數 ,當 時,有 
        證法一:因爲 ,所以 。
        當 爲偶數時,令   則 ( )所以  當 時, 單調遞增。又 ,因此 恆成立,所以   成立。當 爲奇數時,要證 ,由於 ,所以只需證 ,令 ,則 ( ),所以,當 時, 單調遞增,又 ,所以當 時,恆有 ,即 命題成立。
        綜上所述,結論成立。
        證法二:當 時, ,當 時,對任意的正整數 ,恆有 ,故只需證明 。令    則   ,當 時, ,故 在 上單調遞增,因此  當 時, ,即 成立。故  當 時,有 ,即   。
        試題分析:第二問需要對構造的新函數 進行“常規處理”,即先證單調性,然後求最值,最後作出判斷。
        評註:函數類問題的解題方法要內悟、歸納、整理,使之成爲一個系統,在具體運用時自如流暢,既要具有一定的思維定向,也要謹防盲目套用。函數與不等式之間如同一對孿生兄弟,透過對不等式結構特徵的分析,來構造函數模型,常常可以收到出奇制勝的效果。此類問題對轉化能力要求很高,不能有效轉化是解題難以突破的主要原因,要善於構造函數證明不等式,從而體現導數的工具性。
        二、構造函數解決數列中的有關問題
        數列的實質是函數,用函數思想解數列問題能夠加深對數列概念及公式的理解,加強知識點間的聯繫.
        例3:在等差數列中,已知 Sp = q , Sq = p ( p ≠q) ,  求 Sp+q 的值。   
        略解:因爲  是n的一次函數,點( n ,  ) 共線,所以點 (p ,   ) ,   ( q  ,   )   ,  ( p + q ,    )  共線, 則有        化簡即得   Sp+q  = -( p + q ) 。
        例4:等差數列{ }的首項 ,前 項的和爲 ,若 ,問 爲何值時 最大?
        簡析:運用數列中的通項公式的特點,把數列問題轉化爲函數問題解決。
        解:依題意,設此函數是以 爲自變量的二次函數。
故二次函數 的圖象開口向下當 時, 最大,但 中,  當 爲偶數時,  時,  最大當 爲奇數時,  時,  最大。
        三、構造函數解決方程有解、無解及若干個解的問題
        方程有解、無解問題可以用“變量分離法”轉化爲求函數的值域,或直接構造函數。
        例5(2010上海文科數學):若 是方程式 的解,則 屬於區間()       
        A. (0,1)  B.(1,1.25)  C.(1.25,1.75)  D.(1.75,2)
        解析: 
        知 屬於區間(1.75,2)
        例6(2010天津文科數學):設函數f(x)=x- ,對任意 恆成立,則實數m的取值範圍是________。答案:m<-1

構造函數法在解題中的應用
        解析:本題主要考查了恆成立問題的基本解法及分類討論思想,屬於難題。