代数恒等变形是数学解题的基石,变形能力的强弱直接制约着解题能力的高低.变形实质上是为了达到某种目的而采用的“手段”,是化归、转化和联想的准备阶段,它属于技能性的知识,需要在实践中反复操练才能把握,乃至灵活与综合应用.学生在平时学习中不善于积累变形经验,在稍复杂的问题面前常因变形方向不清,而导致常规的化归、转化工作难以实施,甚至以“失败”而告终,其直接后果是应试能力差、效率低.
本文旨在展现代数运算和解题中常见的变形技巧,帮助学生找回失落而又重要的变形“通法”.
1.整式变形:按“主元”合并同类项并依降幂或升幂排列.
例1 设函数f(x)=ax2+bx+c,a,b,c∈R.若点(x,y)在函数=f(x)的图象上,则点(x,y2+1)在函数g(x)=f(f(x))的图象上,试求g(x)的解析式.
分析:一般地,以x为主元,从y=f(x)和y2+1=f(f(x))中产生x的四次恒等式,比较系数便可求出a,b,c,但此法过程繁冗.若转换思维,视y为主元,则有如下简解.
解:由y=f(x)和y2+1=f(f(x))可得y2+1=ay2+by+c.由题意知它是关于y的恒等式,故可知a=1,b=0,c=1,从而
g(x)=f(f(x))=(x2+1)2+1=x4+2x2+2.
评注:通法通则使人有章可循,数学中的“最简形式”、“一般形式”、“标准形式”等即是如此.但在实施通法通则的变形过程中,只有把握问题的本质,才能达到灵活变通之目的.
2.分式变形:通分化简乃通法,但诸多涉及分式的问题仅此而已是不够的,尚需按既定的目标逆向变通,这时将分式分解成“部分分式”、“分离常数”、“分子变位”等便成了特殊的“技巧”,灵活应用便使问题迎刃而解.
例2 已知f(x)=log2(x+1).当点(x,y)在y=f(x)的图象上时,点(x/3,y/2)在y=g(x)的图象上.试求函数F(x)=g(x)-f(x)的最大值.
分析:需先求g(x)的解析式,再对F(x)的解析式进行变形.
解:由图象的伸缩变换知,g(x)的解析式为
g(x)=(1/2)f(3x+1)=(1/2)log2(3x+1).
∴F(x)=(1/2)log2((3x+1)/(x+1)2),x>-1/3.(变为根式显然是不好的)
至此,令3x+1=t>0,则
(3x+1)/(x+1)2=9t/(t2+4t+40=9/(t+(4/t)+4).
∵t+(4/t)≥4,当且仅当t=2时取等号,
∴F(x)max=(1/2)log2(9/8)=log2(3-(3/2)).
评注:若令x+1=t,则真数可转化为关于1/t的二次函数;当分式二次函数的分子或分母为一次式时,常用上述变形方法去求其变化域.此外,分离常数法可使分式化繁为简,如一次分式函数变成k+(p/(x+k))后,便使其性质暴露无遗;在数列中,当其通项为分式结构时,常联想到用裂项法求其前n项的和,进而通过极限求出无穷项的和.
3.根式变形:分母有理化当属变形的主流,但为达某种目的有时却要逆向地采取分子有理化.
例3 函数f(x)=-ax(a>0).求a的取值范围,使f(x)在区间[0,+∞)上是单调函数.
分析:此题为2000年高考题,考生任取x1,x2∈[0,+∞),且x1<x2,作差:f(x1)-f(x2)=-
-a(x1-x2),然后便出现了不同程度的思维受阻现象.若注意到将根式的分子有理化,则可继续推演.
解:f(x1)-f(x2)
=(x1-x2)((x1+x2)/(+
))-a). ①
∵0<(x1+x2)/+
<1,
∴当a≥1时,据x1<x2知①式恒正,从而f(x1)-f(x2)>0,f(x1)>f(x2).
故当a≥1时,函数f(x)在区间[0,+∞)上是单调递减函数.
当0<a<1时,①式的符号不确定,又f(0)=f(2a/(1-a2))=1,所以函数f(x)在区间[0,+∞)上不是单调函数.
综上,当且仅当a≥1时,函数f(x)在区间[0,+∞)上是单调递减函数.
评注:分子有理化在无理式的大小比较、不等式的证明、数列的求和与证明中都有用武之地.
4.指数变形:变同底,即减少底数的种类,是进行此类运算的重要途径.
例4 已知a>0,试解关于x的不等式
log1/2[a4x+2·a2x·(a+1)x-(a+1)2x]<0.
分析:将原不等式等价转化为
a4x+2·a2x·(a+1)x-(a+1)2x]>0,
则易使思维受阻.究其原因,在于上式为双底数的指数不等式.此时,化双底为单底便是代数变形之关键.
不等式两边同除以(a+1)2x(>0),得
(a2/(a+1))2x+2(a2/(a+1))x-1>0,
此为关于(a2/(a+1))x的一元二次不等式,问题便化生为熟了.解略.
评注:化同底、变多底数为单底数,是研究与指数有关的方程、不等式、函数通性、极限等问题的重要技巧(实为解题的突破口).
5.对数变形:换底.
例5 讨论函数f(x)=logax(bx)(b>a>0)在定义域内的单调性,并证明你的结论.
分析:直接利用单调性的定义进行探索无异于盲人摸象,极易在毫无目标的变形中受阻.为此,利用对数换底公式进行变形,可供选择的底数有a、b和10,但a、b尚未完全具备对数底数的“资格”,故选择以10为底进行变形:
f(x)=(lgx+lgb)/(lgx+lga)=1+((lgb-lga)/(lgx+lga)).
据lgb-lga>0及复合函数的“同增异减”法则知,原函数在区间(0,1/a)和区间(1/a,+∞)上均为减函数.如此思考和变形,已发现了结论,故只需将上述直觉思维的过程逻辑化,便可产生本例的简解.解略.
评注:有关对数式的数学问题,应注意换底及底数的合理选择.像本例融思维于变形过程之中的做法,值得提倡与效仿.
6.复数变形:除按三角或代数运算进行变形外,尚需注意复数的模与共轭的性质在变形中的灵活运用.
例6 已知z1,z2是两个不相等的非零复数,设α=z1+z2,β=z1-z2.
(1)若α·是纯虚数,求证:|z1|=|z2|;
(2)若|z1/z2|2+(z1/z2)2=0,试判断|α|与|β|的大小关系.
分析:代数方法和三角方法均使解题过程繁冗,而灵活运用模与共轭的性质进行变形,则较为简捷.
证明:(1)∵α·是纯虚数,
∴=-α·
,
即·β=-α·
.
将α=z1+z2,β=z1-z2代入便可变形出
|z1|=|z2|.
(2)由条件|z1/z2|2+(z1/z2)2=0,得(z1/z2
)+(z12/z22)=0.
因为z1,z2非零,所以z1+z2
=0.
从而,|α|2=(z1+z2)(+
)
=z1+z2
+z1
+z2
=z1+z1
;
同理可得 |β|2=z1+z2
.
故 |α|=|β|.
评注:复数的诸多运算和变形技巧对解题的繁简有着决定性的作用,颇为典型的还有±i的立方虚根的应用.
值得指出的是,代数变形的方法与技巧远不止于此,但上述的几种却是最核心的、最本质的,乃至最常用的变形“技巧”.平时在教与学的过程中,若能留意用二次以上的变形技巧(就是方法),并能做好长期的积累与消化工作,对提高分析问题和解决问题的能力必将大有裨益,进而有助于诸多良好思维品质的形成.
摘自《中学数学教学参考》
