摘要:本文主要討論了利用構(gòu)造法把所求的三角函數(shù)相關(guān)問題與某個熟知的公式、定理、圖形等聯(lián)系起來,構(gòu)造出一個與原問題有關(guān)的函數(shù)、方程、命題與圖形等數(shù)學(xué)形式,利用代數(shù)、三角、幾何等數(shù)學(xué)知識的相互滲透來促成問題的轉(zhuǎn)換或產(chǎn)生新的解題方法,以實現(xiàn)問題解決的目的,其中體現(xiàn)了較強的創(chuàng)造性思維特點.
關(guān)鍵詞:構(gòu)造法;函數(shù);方程;命題;圖形
解題時由于某種需要,把題設(shè)條件中元素間的關(guān)系構(gòu)造出來,或者構(gòu)想這種關(guān)系在某個模型上得以實現(xiàn),或者構(gòu)想出某種關(guān)系或形式,能使問題按照新的觀點、新的角度去審視,從而使問題巧妙地獲得解決的方法,稱之為構(gòu)造法. 構(gòu)造法不僅表現(xiàn)出簡明、精巧、新穎等特點,而且使問題易于解決并具有較強的創(chuàng)造性思維,為此受到廣大師生的充分重視.在各省市歷年的高考試題特別是與函數(shù)有關(guān)的壓軸題中,??梢姌?gòu)造法的蹤影. 本文從函數(shù)、方程、命題和圖形等角度,展示構(gòu)造法在三角函數(shù)式證明中的應(yīng)用.
構(gòu)造函數(shù)法
構(gòu)造函數(shù)法是以題設(shè)條件為對象,構(gòu)想、組合出一種新的函數(shù)關(guān)系、多項式等具體形式,利用函數(shù)的單調(diào)性、奇偶性與極值等性質(zhì),使問題實現(xiàn)轉(zhuǎn)化而獲得解決的一種思想方法.
例1已知α,β是銳角,求證+>.
思路分析:欲證不等式中都含有形如“”的代數(shù)式,如果把“W”看成變化的數(shù),則可構(gòu)造函數(shù)f(x)=,x∈(0,+∞).
證明:設(shè)函數(shù)f(x)=,x∈(0,+∞),易知f(x)在(0,+∞)上是增函數(shù). 由α,β是銳角,得sinα+sinβ>sinαcosβ+cosαsinβ=sin(α+β),即sinα+sinβ>sin(α+β)>0. 于是>,而由=+易得+>>,問題得證.
構(gòu)造方程法
從形式或數(shù)量關(guān)系等角度,觀察、分析題設(shè)條件或欲證結(jié)論的特點,必要時可作適當(dāng)?shù)淖兞看鷵Q,以構(gòu)造出一元二次方程,再運用方程理論或解方程思想使原問題得到解決,這種思想方法稱作構(gòu)造方程法.
例2已知α≠kπ(k∈Z),求證(sin2α+csc2α)(cos2α+sec2α)≥.
思路分析:待證結(jié)論的左邊是一個同角三角函數(shù)的代數(shù)式,其正、余弦之間存在某些方便利用的性質(zhì),如sin2α+cos2α=1,sin4α+cos4α≤1,sin2αcos2α≤等等. 如果再以“數(shù)的眼光看式子”,左邊本質(zhì)上是一個“數(shù)”,確切地說是一個不小于的數(shù),故直接設(shè)左邊為m,方程就構(gòu)造出來了.
略證:設(shè)(sin2α+csc2α)(cos2α+sec2α)=m. 令t=sin2αcos2α,則易知t≤. 化簡得關(guān)于t的一元二次方程t2-(m+2)t+2=0,解得t=.由t≤,得≤,解得m≥,所以(sin2α+csc2α)(cos2α+sec2α)≥.
構(gòu)造命題法
構(gòu)造命題法是指當(dāng)命題直接證明有困難時,可以考慮構(gòu)造等價命題、輔助命題、引理,或者是更一般的命題,從而使問題得到解決的一種思想方法. 但應(yīng)注意構(gòu)造的新命題應(yīng)是已經(jīng)被解決了的或比原命題更容易解決的問題.
例3對任意正整數(shù)n,求證命題A:C-3C+32C-33C+…=sin成立.
思路分析:命題A的左邊在形式上似曾相識,是某個二項式的展開式,或者是展開式中的某個部分,而正數(shù)項與負(fù)數(shù)項交替出現(xiàn),且右邊是一個與n有關(guān)的三角函數(shù)式,所以構(gòu)想左邊是某個復(fù)數(shù)的二項式展開.因為左邊可化為C-C()2+C()4-C()6+…,考慮乘以,恰恰右邊就有,于是找到等價的命題B,…
略證:構(gòu)造命題A的等價命題B:(C-3C+32C-33C+…)=2nsin,再構(gòu)造等價命題C:C-C()3+C()5-C()7+…=2nsin.
由二項式定理得(1+i)n=1+Ci+C(i)2+C(i)3+…+C(i)n-1+(i)n,再由棣莫弗定理得(1+i)n=2ncos+isin,比較虛部得命題C成立,從而命題A得證.
構(gòu)造圖形法
用數(shù)形結(jié)合思想去分析題設(shè)條件中的數(shù)量關(guān)系,找出數(shù)量關(guān)系所蘊涵的幾何意義,以某種方式構(gòu)想出幾何圖形,從而轉(zhuǎn)化為利用圖形的幾何性質(zhì)去解決原問題,這樣的思想方法稱作構(gòu)造圖形法.
例4已知a>b>0,求證a2(cosα-cosβ)2+b2(sinα-sinβ)2≤4a2.
思路分析:觀察欲證不等式的左邊,如果將a,b分別放進括號中,從幾何意義來看,問題將轉(zhuǎn)化為兩點間的距離表示.
略明:設(shè)點A(acosα,bsinα),B(acosβ,bsinβ),由兩點間距離公式知欲證不等式的左邊就是AB2. 繼續(xù)觀察知A,B都是橢圓+=1上的點,則弦AB的長應(yīng)不大于長軸長,即AB≤2a, 所以兩邊平方即有a2(cosα-cosβ)2+b2?(sinα-sinβ)2≤4a2.
例5若0<α<β<,求證>.
思路分析:由于α,β都是銳角,且欲證不等式的左邊是兩個弧度角的比,而右邊是兩個正弦值的比,要實現(xiàn)弧度角與正弦值的轉(zhuǎn)換,容易聯(lián)想起單位圓.因為角α,β的終邊都在第一象限,通過單位圓可將角及正弦的比統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為面積之比,從而獲得解題思路.
證明:構(gòu)造單位圓的第一象限部分,角α,β的始邊放在x軸的正向.設(shè)角α,β的終邊分別交單位圓于A,B,延長AB交x軸于C. AE,BF分別垂直x軸,且交x軸于E,F(xiàn)兩點,作BD⊥AE于D,OG⊥AB于G.
由=,S扇形OBM1.易知△ABD~△BCF,即有=,而在單位圓中=>,==,所以>,即>.
用構(gòu)造法解題的妙處在于不是直接去解決原問題,而是把所求問題與某個熟知的概念、公式、定理、圖形等聯(lián)系起來,構(gòu)造出一個與原問題有關(guān)的函數(shù)、方程、關(guān)系式、命題、模型與圖形等,利用代數(shù)、三角、幾何等數(shù)學(xué)知識的相互滲透去促成原問題的轉(zhuǎn)化或產(chǎn)生新的解題方法,從而問題得以解決.