袁海軍 徐詩(shī)佳
分類討論是一種重要的數(shù)學(xué)思想方法,是將一個(gè)較復(fù)雜的數(shù)學(xué)問(wèn)題分解(或分割)成若干個(gè)基礎(chǔ)性問(wèn)題,通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)性問(wèn)題的解答來(lái)實(shí)現(xiàn)解決原問(wèn)題的思想策略.俗稱“化整為零,各個(gè)擊破,再積零為整”.它是一種重要的解題思想,也是高考重點(diǎn)考查內(nèi)容之一. 縱觀近年的數(shù)學(xué)高考,無(wú)論是選擇題、填空題、還是解答題,都非常重視對(duì)分類討論思想的考查,是考生數(shù)學(xué)邏輯思維、理性思維能力高低的體現(xiàn). 常見(jiàn)的分類情形有:按數(shù)的特性分類;按字母的取值范圍分類;按事件的可能性分類;按圖形的位置特征分類等.
為了更好地掌握分類討論思想,本文就它在數(shù)學(xué)解題中的應(yīng)用舉例分析,供同學(xué)們參考.
一、科學(xué)合理的分類
把一個(gè)集合A分成若干個(gè)非空真子集Ai(i=1、2、3···n)(n≥2,n∈N),使集合A中的每一個(gè)元素屬于且僅屬于某一個(gè)子集. 即
① A1∪A2∪A3∪…∪An=A;
②Ai∩Aj=?準(zhǔn)(i,j∈N,且i≠j).
則稱對(duì)集合A進(jìn)行了一次科學(xué)的分類(或稱一次邏輯劃分)
科學(xué)的分類滿足兩個(gè)條件:條件①保證分類不遺漏;條件②保證分類不重復(fù). 在此基礎(chǔ)上根據(jù)問(wèn)題的條件和性質(zhì),應(yīng)盡可能減少分類.
二、探討引起分類討論的原因,從而確定分類討論的標(biāo)準(zhǔn)或題型
在確定討論的對(duì)象后,最困難是確定分類的標(biāo)準(zhǔn),一般來(lái)講,分類標(biāo)準(zhǔn)的確定通常有以下有六種:
(1)根據(jù)數(shù)學(xué)概念來(lái)確定分類標(biāo)準(zhǔn),
如絕對(duì)值,直線的斜率,指數(shù)與對(duì)數(shù),直線與平面所成的角等的定義中都包含了分類.
例如,絕對(duì)值的定義是:a=a (a>0)0 (a=0)-a (a<0)
例1 已知f(x)=x2+2x-4+a.
(1)當(dāng)a=-3時(shí),求不等式f(x)>x2+x的解集;
(2)若不等式f(x)≥0的解集為實(shí)數(shù)集R,求實(shí)數(shù)a的取值范圍.
解析(1)當(dāng)a=-3時(shí),f(x)=x2+2x-4-3.
∴f(x)>x2+x?圳2x-4-x>3
?圳x≤0,1-x>0或0
?圳x≤0或0
∴當(dāng)a=-3時(shí),不等式f(x)>x2+x的解集為(-∞,■)∪(7, +∞).
(2)∵f(x)≥0的解集為實(shí)數(shù)集R,即x2+2x-4≥-a恒成立.
令g(x)=x2+2x-4,則g(x)=(x+1)2-5,x≥2(x-1)2+3,x<2
x≥2時(shí)g(x)min=4,x<2時(shí)g(x)min=3,
∴ g(x)min=3,∴ a≥-3,故a的取值范圍是 [-3, +∞).
點(diǎn)評(píng)此題對(duì)含有絕對(duì)值的式子首先需要對(duì)絕對(duì)值里面的式子分為負(fù)數(shù),非負(fù)數(shù)來(lái)去掉絕對(duì)值符號(hào)再求解,此題涉及到兩個(gè)絕對(duì)值式子,需要采用零點(diǎn)分段法將數(shù)軸分為3段來(lái)討論.
例2 解關(guān)于x的不等式組loga2x<2logax,(a-1)x2
解析對(duì)于參數(shù)a,需分a>1還是0 (Ⅰ)當(dāng)0 (Ⅱ)當(dāng)a>1時(shí),可解得:x>2,0 (1)當(dāng)1 (2)當(dāng)a>3時(shí)解集為(2,■).
當(dāng)q=-■或q=-2時(shí),即Tn=Sn .
點(diǎn)評(píng)在解數(shù)列這類問(wèn)題時(shí),如果公比q是可以變化的量,就要以q為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類討論.
例4 已知函數(shù)f(x)=sin2x-asin2■,(x撾R,a R,)試求以a表示f(x)的最大值b.
解析原函數(shù)化為f(x)=-(cosx-■)2+■,令t=cosx,則-1≤t≤1.
記g(t)=-(t-■)2+■,t∈[1,1]. 因?yàn)槎魏瘮?shù)y=g(t)的最大值的取得與二次函數(shù)y=g(t)的圖像的頂點(diǎn)的橫坐標(biāo)相對(duì)于定義域 [-1, 1] 的位置密切相關(guān),所以以■相對(duì)于區(qū)間[-1, 1]的位置分三種情況討論:
(1)當(dāng)-1≤■≤1,即-4≤a≤4時(shí),b=g(t)max=■,此時(shí)t=■,
(2)當(dāng)■<-1,即a<-4時(shí),b=-a,此時(shí)t=-1,
(3)當(dāng)■>1,即a>4時(shí),b=0,此時(shí)t=1,
綜上所述,b=0,(a>4)■,(-4≤a≤4)-a. (a<-4)
點(diǎn)評(píng)對(duì)二次函數(shù)y=ax2+bx+c(a>0)在R上適用,而在指定的定義域區(qū)間 [p, q] 上,它的最值應(yīng)分如下情況:
(1)當(dāng)-■
(2)當(dāng)-■>q時(shí),f(x)在[p,q]上單調(diào)遞減,f(x)max=f(p),f(x)min=f(q);
(3)當(dāng)p≤■≤q時(shí),f(x)在[p,q]上最值情況是:f(x)min=f(-■)=■,f(x)max=max{f(p),f(q)},即最大值是f(p),f(q)中較大的一個(gè)值.
(3)根據(jù)數(shù)學(xué)運(yùn)算的需要確定分類標(biāo)準(zhǔn)
如分式的分母不等于零,偶次根式的被開(kāi)方數(shù)為非負(fù)數(shù),負(fù)數(shù)的次冪為正或?yàn)樨?fù),不等式兩邊同乘以實(shí)數(shù)對(duì)不等號(hào)方向的影響等.
例如:解不等式組3 顯然,應(yīng)以3,4為標(biāo)準(zhǔn)將a分為14三種情況進(jìn)行討論. 例5 在(1+x+x2)(1-x)5的展開(kāi)式中,x4項(xiàng)的系數(shù)為_(kāi)__________. 解析由題意直接分成三類: 第1類:(1+x+x2)出1,則(1-x)5出x4,該項(xiàng)為:1·C45·1·(-x)4=5x4; 第2類:(1+x+x2)出x,則(1-x)5出x3,該項(xiàng)為:x·C35·12·(-x)3=-10x4; 第3類:(1+x+x2)出x2,則(1-x)5出x2,該項(xiàng)為:x2·C25·13·(-x)2=-10x4. 綜上所述:合并后x4的項(xiàng)的系數(shù)為5. 點(diǎn)評(píng)本題不利于直接展開(kāi)所有項(xiàng)求解,應(yīng)由已知表達(dá)式展開(kāi)式中的每一項(xiàng)由兩部分相乘而成,要想湊得x4,不妨從其中的一個(gè)式子切入進(jìn)行分類討論(以(1+x+x2)為例). 討論完成后再整合即可. 例6 已知數(shù)列{an}的奇數(shù)項(xiàng)是首項(xiàng)為1的等差數(shù)列,偶數(shù)項(xiàng)是首項(xiàng)為2的等比數(shù)列,數(shù)列{an}前n項(xiàng)和為Sn,且滿足S5=2a4+a5,a9=a3+a4. (1)求數(shù)列{an}的通項(xiàng)公式; (2)若amam+1=am+2,求正整數(shù)m的值; (3)是否存在正整數(shù)m,使得■恰好為數(shù)列{an}中的一項(xiàng)?若存在,求出所有滿足條件的m值,若不存在,說(shuō)明理由. 解析(1)設(shè)a1, a3, a5,…,a2k-1,…的公差為d,設(shè)a2, a4,a6,…, a2k,…的公比為q, a4=a2q=2q, a3=a1+d=1+d, a9=1+4d 由S5=2a4+a5,a9=a3+a4?圯a4=a1+a2+a3,a1+4d=a1+d+2q?圯d=2,q=3. ∴ a2k=a2qk-1=2·3k-1,a2k-1=a1+(n-1)d=2k-1 ∴ an=n, n=2k-12·3■. n=2k (2)若m=2k(k∈N?鄢),則a2ka2k+1=a2k+2,即2·3k-1(2k+1)=2·3k, 解得:2k+1=3?圯k=1,即m=2. 若m=2k-1(k∈N?鄢),即a2k-1a2k=a2k+1. (2k-1)·2·3k-1=2k+1?圯2·3k-1=1+■. 因?yàn)?·3k-1為正整數(shù),∴■為正整數(shù). ∴ 2k-1=1?圯k=1. 代入可知k=1不符2·3k-1=1+■,故舍去. 綜上所述:m=2. (3)若■為{an}中的一項(xiàng),則■為正整數(shù). S2m-1=(a1+a3+…+a2m-1)+(a2+a4+…+a2m-2) =■+■=3m-1+m2-1, ∴■=■=■=3-■≤3, 故若■為{an}中的某一項(xiàng)只能為a1, a2, a3 . ①若3-■=1無(wú)解; ②若3-■=2,即3m-1+1-m2=0,可知m=2是方程的根. 當(dāng)m≥3時(shí),設(shè)f(x)=3x-1+1-x2,∴f′(x)=3x-1ln3-2x. f″(x)=3x-1(ln3)2-2>0,∴f′(x)在 [3, +∞)單調(diào)遞增. ∴f′(x)≥f′(3)=9ln3-6>0,∴f(x)在 [3, +∞)單調(diào)遞增. ∴f(x)>f(2)=0. ∴ m≥3時(shí),3m-1+1-m2=0無(wú)解,即m=2是方程唯一解. ③若3-■=3,則m2=1?圯m=1, 綜上所述:m=1或m=2.
點(diǎn)評(píng)當(dāng)數(shù)列中的項(xiàng)有符號(hào)限制時(shí),應(yīng)分n為奇數(shù),n為偶數(shù)進(jìn)行討論,通項(xiàng)公式要用分段函數(shù)表達(dá). 若是求數(shù)列前n項(xiàng)和,一般先求S2n,再求S2n+1,且S2n+1=S2n+a2n+1,避免重復(fù)計(jì)算.
(4)根據(jù)參數(shù)的變化需要確定分類標(biāo)準(zhǔn)
一般指數(shù)學(xué)中某些含參數(shù)的問(wèn)題,由于參數(shù)的取值不同會(huì)導(dǎo)致所得結(jié)果不同,或由于不同的參數(shù)值要運(yùn)用不同的求解或證明方法.
例7? 設(shè)函數(shù)f(x)=■ax3-■(a+1)x2+x+9,(a∈R),求f(x)的單調(diào)減區(qū)間.
解析依題意得?圳f′(x)=ax2-(a+1)x+1<0?圳(ax-1)(x-1)<0.
(1)當(dāng)a=0時(shí),原不等式解為x>1;
(2)當(dāng)a≠0時(shí),原不等式化為a(x-1)(x-■)<0.
①若a<0,則原不等式化為(x-1)(x-■)>0,
易知■<1,∴不等式的解為x<■或x>1.
②若a>0,則原不等式化為(x-1)(x-■)<0,
(?。┊?dāng)a>1時(shí),■<1,不等式解為■ (ⅱ)當(dāng)a=1時(shí),■=1,不等式解為x∈?覫; (ⅲ)當(dāng)01,不等式解為1 綜上所述:當(dāng)a<0時(shí),減區(qū)間為(-∞,■),(1, +∞);當(dāng)a=0時(shí),減區(qū)間為(1,+∞); 當(dāng)01時(shí),減區(qū)間為(■, 1). 點(diǎn)評(píng)此題為典型的一元二次不等式的基本解法,涉及到要討論的情形比較復(fù)雜;必須先討論二次項(xiàng)系數(shù)是否為>0,=0,<0.三種情形,然后再每種條件下單獨(dú)討論根的大小,并結(jié)合二次函數(shù)圖象性質(zhì)得出解集,此類題應(yīng)注重分類的原則、方法與技巧,做到分類對(duì)象確定、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、不重復(fù)不遺漏、分層次. 例8 已知函數(shù)f(x)=x3,x>0,-x,x<0. 若函數(shù)g(x)=f(x)-kx2-2x (k∈R)恰有4個(gè)零點(diǎn),則k的取值范圍是( ) A. (-∞,-■)∪(2■,+∞)? B. (-∞,-■)∪(0,2■) C. (-∞,0)∪(0,2■)???????? D. (-∞,0)∪(2■,+∞) 解析注意到g(0)=0,所以要使g(x)恰有4個(gè)零點(diǎn),只需方程kx-2=■恰有3個(gè)實(shí)根即可,令h(x)=■,即y=kx-2與h(x)=■的圖像有3個(gè)不同交點(diǎn). 因?yàn)閔(x)=■=x2,x>01,x<0 當(dāng)k=0時(shí),此時(shí)y=2,如圖1,y=2與h(x)=■有1個(gè)不同交點(diǎn),不滿足題意; 當(dāng)k<0時(shí),如圖2,此時(shí)y=kx-2與?? h(x)=■恒有3個(gè)不同交點(diǎn),滿足題意; 當(dāng)k>0時(shí),如圖3,當(dāng)y=kx-2與y=x2相切時(shí),聯(lián)立方程得x2-kx+2=0, 令△=0得k2-8=0,解得k=2■(負(fù)值舍去),所以k>2■. 綜上,k的取值范圍為(-∞,0)∪(2■,+∞).? 故選:D. 點(diǎn)評(píng)本題考查函數(shù)與方程,數(shù)形結(jié)合,轉(zhuǎn)化與化歸,分類討論等思想方法的綜合應(yīng)用,是一道中檔題. 此題等價(jià)轉(zhuǎn)化后需要對(duì)變量進(jìn)行合理的分類,最后再整合得出答案. (5)根據(jù)幾何圖形中點(diǎn)、線、面的相對(duì)位置不確定引起的分類討論 如兩直線的位置關(guān)系、直線和圓錐曲線的位置關(guān)系、點(diǎn)和圓的位置關(guān)系、圓和圓的位置關(guān)系,立體幾何中的建系多樣性等等 例9 設(shè)k∈R,問(wèn)方程(8-k)x2+(k-4)y2=(8-k)(k-4)表示什么曲線? 解析(1)當(dāng)k=4時(shí),方程變?yōu)閤=0,表示直線(y軸); (2)當(dāng)k=8時(shí),方程變?yōu)閥=0,表示直線(x軸); (3)當(dāng)k≠4且k≠8時(shí),方程化為■+■=1, (?。┤鬹<4時(shí),方程表示焦點(diǎn)在y軸上的雙曲線; (ⅱ)若4 (ⅲ)若k=6時(shí),方程表示圓心在原點(diǎn)的圓; (ⅳ)若6 (ⅴ)若k>8時(shí),方程表示焦點(diǎn)在x軸上的雙曲線. 點(diǎn)評(píng)此題為二元二次方程的分類討論問(wèn)題,基本涵蓋了所學(xué)的圓錐曲線知識(shí)概念,是一道開(kāi)放式,復(fù)雜多樣的分類討論難題,需注意討論避免漏解,要考慮全面到位. 例10 若雙曲線x2-■=1與直線y=kx-1有且僅有一個(gè)公共點(diǎn),則這樣的直線有幾條() A. 1 B. 2 C. 3 D. 4 解析把直線方程y=kx-1代入雙曲線的方程可得4x2-(kx-1)2=4, 整理得(4-k2)x2+2kx-5=0,(*) (1)若4-k2=0,得k=±2,(*)式只有一個(gè)解,則雙曲線與直線有且僅有一個(gè)公共點(diǎn); (2)若4-k2≠0,由△=4k2+20(4-k2)=80-16k2=0,解得k=±■. 綜上,當(dāng)k=±■,k=±2時(shí),直線與雙曲線有一個(gè)公共點(diǎn),故有4條直線符合題意. 點(diǎn)評(píng)此題主要考查直線與圓錐曲線的位置關(guān)系,是高考的重要考點(diǎn)與熱點(diǎn). 通常聯(lián)立直線與曲線方程,轉(zhuǎn)化到一元二次方程實(shí)數(shù)解的問(wèn)題,但不能想當(dāng)然的默認(rèn)一定為一元二次方程,需要對(duì)二次項(xiàng)系數(shù)是否為0進(jìn)行討論,再來(lái)討論“△”的三種情形,避免漏解. (6)根據(jù)實(shí)際問(wèn)題的具體情況進(jìn)行分類討論 如排列、組合問(wèn)題,概率與統(tǒng)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用題等.
例11 用0、1、2、3、4這五個(gè)數(shù)字組成無(wú)重復(fù)數(shù)字的五位數(shù),其中恰有一個(gè)偶數(shù)數(shù)字夾在兩個(gè)奇數(shù)數(shù)字之間的五位數(shù)的個(gè)數(shù)是()
A. 48 B. 36 C. 28 D. 12
解析根據(jù)題意,在0,1,2,3,4中有3個(gè)偶數(shù),2個(gè)奇數(shù),可以分3種情況討論:
(1)0被奇數(shù)夾在中間,先考慮奇數(shù)1、3的順序,有2種情況;再將1、0、3看成一個(gè)整體,與2、4全排列,有A33=6種情況;故0被奇數(shù)夾在中間時(shí),有2A33=12種情況;
(2)2被奇數(shù)夾在中間,先考慮奇數(shù)1、3的順序,有2種情況;再將1、2、3看成一個(gè)整體,與0、4全排列,有A33=6種情況,其中0在首位的有2種情況,則有6-2=4種排法;故2被奇數(shù)夾在中間時(shí),有2×4=8種情況;
(3)4被奇數(shù)夾在中間時(shí),同2被奇數(shù)夾在中間的情況,有8種情況,
則這樣的五位數(shù)共有12+8+8=28種.
點(diǎn)評(píng)本題考查了有限制條件的排列組合問(wèn)題以及分類討論思想,盡量做到不重不漏.對(duì)于題目中有特殊要求的元素,在考慮步驟時(shí)優(yōu)先安排,然后再去處理無(wú)要求的元素.
例12 某旅行社有導(dǎo)游9人,其中3人只會(huì)英語(yǔ),2人只會(huì)日語(yǔ),其余4人既會(huì)英語(yǔ)又會(huì)日語(yǔ),現(xiàn)要從中選6人,其中3人負(fù)責(zé)英語(yǔ)導(dǎo)游,另外3人負(fù)責(zé)日語(yǔ)導(dǎo)游,則不同的選擇方法有_______種
解析在步驟上可以考慮先選定英語(yǔ)導(dǎo)游,再選定日語(yǔ)導(dǎo)游. 英語(yǔ)導(dǎo)游的組成可按只會(huì)英語(yǔ)的和會(huì)雙語(yǔ)的人數(shù)組成進(jìn)行分類討論,然后再在剩下的人里選出日語(yǔ)導(dǎo)游即可. 第一種情況:沒(méi)有會(huì)雙語(yǔ)的人加入英語(yǔ)導(dǎo)游隊(duì)伍,則英語(yǔ)導(dǎo)游選擇數(shù)為C33,日語(yǔ)導(dǎo)游從剩下6個(gè)人中選擇,有C36中,從而N0=C33·?? C36,第二種情況:有一個(gè)會(huì)雙語(yǔ)的人加入英語(yǔ)導(dǎo)游隊(duì)伍,從而可得N1=(C14C23)·C35,依次類推,第三種情況. 兩個(gè)會(huì)雙語(yǔ)的加入英語(yǔ)導(dǎo)游隊(duì)伍,則N2=(C24·C13)·C34,第四種情況,英語(yǔ)導(dǎo)游均為會(huì)雙語(yǔ)的. 則N3=C34·C33,綜上所述,不同的選擇方法總數(shù)為S=C33·C36+(C14C23)·C35+(C24·C13)·C34+C34·C33=216(種).
點(diǎn)評(píng)本題涉及到多面手是否入選的問(wèn)題,在解題前要優(yōu)先確定對(duì)象再進(jìn)行合理分類,此題是以英語(yǔ)導(dǎo)游為主要對(duì)象進(jìn)行逐一分類,這樣就明確解題思路,全面討論,不會(huì)漏解.
另外,某些不確定的數(shù)量、不確定的圖形的形狀或位置、不確定的結(jié)論等,都主要通過(guò)分類討論,保證其完整性,使之具有確定性. 例如要對(duì)某學(xué)?!皠?chuàng)建省智慧文明校園建設(shè)”的調(diào)查問(wèn)卷,這就需要考慮學(xué)校各學(xué)科,各部門,各層次人員的問(wèn)卷,這樣更有代表性.
三、分類討論的方法和步驟
(1)確定是否需要分類討論以及需要討論時(shí)的對(duì)象和它的取值范圍;
(2)確定分類標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)合理分類;
(3)逐類進(jìn)行討論得出各類結(jié)果;
(4)歸納各類結(jié)論.
總之,分類討論是一種邏輯方法,是一種重要的數(shù)學(xué)思想,同時(shí)也是一種重要的解題策略,對(duì)于培養(yǎng)考生思維的邏輯性、條理性和概括性,以及提高考生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力無(wú)疑具有很大的幫助. 然而,并不是問(wèn)題中一出現(xiàn)含參數(shù)問(wèn)題就一定得分類討論,我們應(yīng)弄清楚引起問(wèn)題分類討論的主要原因,做到有的放矢,這樣才能精準(zhǔn)的進(jìn)行分類討論,從而達(dá)到快速、準(zhǔn)確的解題效果.
責(zé)任編輯 徐國(guó)堅(jiān)