构造函数证题的妙想与思维方法的探讨
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构造函数证题的妙想与思维方法的探讨
1 引言
构造函数法在数学领域中广泛地被采用着,它们起着桥梁式的作用,甚至有些是起着无法替代的作用.因此想通过本论文给大家介绍一些构造函数法的基本思路.首先给出构造函数法及构造法的定义,然后重点从实例出发,研究构造函数及其思维方法在具体问题中的应用,最后简单介绍构造思维方法解题的过程和解题策略.
所谓构造函数法,就是利用数学中的概念和方法,按固定的模式经过有限个步骤,达到能够定义辅助函数和实现命题论证的方法.而构造函数,就是为了使某一数学命题或者某一数学概念,通过已知的数学概念和方法,在题设的约束条件下,去达到证明或者说明某结论或概念的正确性的目的.
相信本论文对初学者能起到一定的帮助作用,一方面帮助大家抓住构造函数及其思维方法的关键所在,另一方面又配有相应的典型例题解说,使大家少走弯路提高学习效率,同时开阔学术视野.
2 数学中常见的构造函数法及其思维方法的应用
2.1 构造函数法在解、证等式、不等式中的应用
有关解、证等式、不等式的问题,一般运用比较法、分析法、综合法等.然而对有些问题运算比较麻烦,且不易得到结果.这时,如针对所解决的问题构造一个辅助函数,则原来问题的求解或证明,就转化为对这一函数性质的研究.可以运用函数的图像、单调性、奇偶性、最值、连续和微积分等性质来帮助解决,运算过程就会变的比较容易了.
2.1.1 构造函数在证明等式中的应用
例1]1[ 已知1)1()1(22yyxx ,求证:0yx.
分析 由1)1()1(22yyxx,可联想到三角函数中的关系式1cottan,若令tan12xx,则cot12yy ))2,0((,此时用tan、cot表示x、y,再计算yx的值是否为0就行.
证明 设tan12xx,则cot12yy ))2,0(( ,
由上面的两式分别得 第 2 页 共 9 页 tan21)(tan2x ,cot21)(cot2y ,
故0tantan2tancotcottancot21)(cottan21)(tan22yx.
2.1.2 构造函数在证明一般不等式中的应用
例2]1[ 设a、b、c是ABC的三条边,证明222)(2cbacabcab.
分析 根据不等式的结构特征,经过等价变形,从一个含多元的数学问题里,选定合适的主要变元,从而把问题转化为研究函数的性质.
证明 由题意不妨设bacba0 ,令
abbacbaccf2)(2)(222 ,
原不等式等价于0)(cf,由函数)(cfy的图像是一条开口向上的抛物线,知函数)(cf在],[bab上单调递减.又],[babc,要证明0)(cf,只须证明0)(bf即可,而
)4(2)(2)(222baaabbabbabbf ,
又ba,则04ba,即0)(bf,故命题得证.
例3 求证:babababa11 .
分析 此题有多种证法,这里介绍一种颇具新意的、用构造函数求导数的证题思路.导数的一个重要应用是能快速的判断函数的增减性.
证明 先构造函数xxxf1)( )0(x,再求出其导数2')1(1)(xxf ,
因0)('xf,则当0x时,)(xf为增函数, 又因baba, 所以有)()(bafbaf即
babababa11 .
2.1.3 构造函数证数列不等式
例4]2[ 求证313)2311()411)(11(nn )(*Nn.
分析 可以尝试用数学归纳法证明,但较繁琐,注意到原数列不等式等价于 第 3 页 共 9 页 1131)2311()411)(11(3nn ,
启发我们构造数列,利用数列的单调性去探寻.
证明 设3131)2311()411)(11()(nnnf )(*Nn ,
由1)43()13()23(4313)1311()()1(32333nnnnnnnfnf ,知)(nf是递增的 ,
又142)1(3f,故有1)1()(fnf,从而命题得证.
2.2 构造函数法在求极限和求解方程方面的应用
构造函数法是数学解题中最富有活力的数学转换方法.如能恰当的运用,不仅能把问题变繁为易、变抽象为具体,达到难题巧解的目的,而且能大大丰富学生的想象能力,培养学生解题的整体意识和创造性思维能力.
2.2.1 构造函数在求极限中的应用
例5210]3[ 求nnnlim .
解 构造辅助函数
xxxf1)( ,
而xxxxxeexxflnln11)()(,则当x时,xxln是型的不定式.由罗必达法则,有01limlnlimxxxxx ,
又由ue是关于u的连续函数,得1lim)(lim0lnlimlneeexfxxxxxxx
,由此1)(limlimnfnnnn.
思路总结 构造恰当的辅助函数;化离散变量为连续变量,而且还必须考虑连续变量相应的极限过程)0(xx或,如本例中用到罗必达法则的过程;求解的关键在于考虑辅助函数极限的求得.
2.2.2 构造函数在讨论方程根中的应用
论证方程根的题目,主要有两类,一类是结合闭区间上连续函数的零点定理去思考;另一类是 第 4 页 共 9 页 在已知函数的基础上论证导函数方程根的情况,此时就要考虑罗尔定理了.
例651]4[ 设0a、1a、naa、2 为满足0132210naaaan (*) 的实数.证明:方程02210nnxaxaxaa在)1,0(内至少有一根 .
分析 函数nnxaxaxaaxf2210)(虽然在]1,0[上连续,但却难以验证)(xf在]1,0[上的某个子区间的端点处的函数值是否异号.但是经分析)(xf的原函数
132210132)(nnxnaxaxaxaxF ,
在1x处的函数值)1(F恰好是式子(*)的左边,因此该命题可利用罗尔定理来证.
证明 构造函数132210132)(nnxnaxaxaxaxF,显然函数)(xF在]1,0[上连续,在)1,0(内可导,又因为0)0(F,0132)1(210naaaaFn,由罗尔定理,存在一个)1,0(,使得0)('F,即02210nnaaaa,命题得证.
2.3 微分中值定理证明中辅助函数的构造及其应用
“构造函数法”是微积分学里经常用来证明一些重要定理的重要方法.许多文献中, lagrange中值定理、罗尔定理和Cauchy中值定理的证明都运用到了构造辅助函数,其推理过程简单明了.具体的来说罗尔定理证明中是构造出了满足Fermat引理的辅助函数,进而推导出了结果;而
lagrange中值定理和Cauchy中值定理则都是构造出了满足罗尔定理条件的辅助函数,来推导出了最终的结果.
微分中值定理的证明实现了函数与其导数之间的沟通,是利用导数的局部性质研究函数整体性质.处理这类问题,关键在于如何构造出能够满足罗尔定理,lagrange中值定理和Cauchy中值定理条件的辅助函数.下面以举例的形式介绍几种常用的辅助函数的构造方法.
2.3.1 凑导数法(原函数法)
例7119]5[ 设函数)(xf在],[ba上连续,在),(ba内可导,证明:存在),(ba,使)()()]()([2'22fabafbf.
证明(证明一) 将欲证明的结论变形得 第 5 页 共 9 页 2)()()(22'abafbff ,
将等式中的自变量记为新的自变量x,即
xabafbfxf2)()()(22' ,
然后积分得 cxabafbfxf222)()()( ,其中c为任意的常数,得到的辅助函数为222)()()()(xabafbfxfxF ,
显然)(xF在],[ba上连续,在),(ba内可导,又因为2222)()()()(abbfaafbbFaF,满足罗尔
定理的条件,所以存在),(ba, 使得0)('F ,故
)()()]()([2'22fabafbf .
我们可将上述过程归纳总结为:将结论通过恒等变换,化为容易积分的函数形式,在结论积分不是很复杂的情况下,常用的方法是移项将等式一端变为常数0;用x替换变换后等式中的自变量;用观察法或者凑微分法求出原函数,则原函数即为所要构造的辅助函数;最后结合微分中值定理,推导出结论来.
证明(证明二) 将要证明的等式中的变量记为x,然后积分得
)()())()((222xfabafbfx ,
得到的辅助函数为)()())()(()(222xfabafbfxxF,可知,)()(aFbF ,故由罗尔定理可得 ,存在),(ba,使得0)('F ,即有
)()()]()([2'22fabafbf .
2.3.2 常数k值法
此法适用于常数已分离出来的命题,具体作法为:将常数部分定作k,恒等变形,使等式一端为a及)(af,另一端为b及)(bf构成的代数式;然后分析关于端点的表达式是否为对称式或轮换对称式,如把端点a改为x,相应的)(af改为)(xf,则变换后的端点表达式就是所求的辅助函数.
例8]6[ 设)(xf在],[ba上连续,在),(ba内可导, 证明:在),(ba内至少存在一点,使得)()()()('ffabaafbbf. 第 6 页 共 9 页 分析 令kabaafbbf)()(,恒等变形为kaaafkbbbf)()((对称式).
证明 作辅助函数kxxxfxF)()(,即有xabaafbbfxxfxF)()()()( ,
显然)(xF在],[ba上连续,在),(ba内可导,又abbfafabbFaF)]()([)()( ,故由罗尔定理知,在),(ba内至少存在一点,使得0)('F, 即
)()()()('ffabaafbbf.
2.3.3 乘积因子法
例933]8[ 若)(xf在],[ba上连续,在),(ba内可导,且0)()(bfaf,证明:对R ,),(ba,使得)()('ff.
分析 xe是个恒为正的因子,所证明的等式或不等式的两端都乘以或除以这样的一个因子,等式或不等式任然成立,于是想到xe是个理想的乘积因子.
证明 引入辅助函数)()(xfexFx,由题设知0)()(bFaF,)(xF在],[ba上连续,在),(ba内可导,满足罗尔定理条件,故在),(ba内至少存在一点,使得0)('F ,即
0)()('fefe ,所以)()('ff.
注 对于某些关于函数的导数与函数之间关系的证明,直接构造函数往往比较困难,将所证结论的两端都乘以或除以一个恒正或恒负的函数,证明的结论往往不受影响,xe(为常数)是常用的乘积因子.
2.4 具体问题中应用构造函数法证题新解
通过构造函数,并运用函数的性质求解一些看似与函数无关的问题,继而将其转换为函数问题求解,构思巧妙,见解独到,极富思维的创造性.