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淺談“數(shù)形結(jié)合思想”在解題中的應(yīng)用 福鼎二中 夏宇寧 一、數(shù)形結(jié)合思想的提出 在高中數(shù)學解析幾何這一模塊中，處理問題的方法常見有代數(shù)法和幾何法。代數(shù)法是從“數(shù)”的角度解決問題、幾何法從“形”的角度解決問題，這兩種方法相輔相成，相得益彰。現(xiàn)舉例如下：若直線與曲線恰有一個公共點，求k的取值范圍. 解：（代數(shù)法）曲線方程可化為，把代入 可得：（），由題意可知方程僅有一個非負根 ①當方程有等根時，即=0，可得，當時，方程可化為，得不合題意；當時，方程為 得符合題意，可知； ②當方程根為時，得，，當時，方程為，得方程兩個根為，不合題意應(yīng)舍去；當時，方程為，得方程兩個根為，適合題意，可知； ③當方程根為一正一負時，只需，可得。 綜上所述：所求 k的取值范圍為或。 （幾何法）曲線是單位圓的右半圓（）， k是直線在y軸上的截距.在同一坐標系中畫出兩曲線圖像如圖所示知：直線與曲線相切時，，由圖形：可得或。 上述兩種解法可以看出利用代數(shù)法求解過程較為復(fù)雜、繁瑣且容易錯；而利用幾何法即一種數(shù)形結(jié)合的思想方法，卻能使復(fù)雜問題簡單化，抽象問題具體化，它在數(shù)學解題中具有極為獨特的指導作用。 二、數(shù)形結(jié)合思想的概述 數(shù)與形是數(shù)學中兩個最古老、最基本的元素，是數(shù)學大廈深處的兩塊基石。在解決數(shù)學問題時，常常根據(jù)數(shù)學問題的條件和結(jié)論之間的內(nèi)在聯(lián)系，將數(shù)的問題利用形來觀察，揭示其幾何意義；而形的問題也常借助數(shù)去思考，分析其代數(shù)含義，如此將數(shù)量關(guān)系和空間形式巧妙地結(jié)合起來，并充分利用這種“結(jié)合”，尋找解題思路，使問題得到解決的方法稱之為數(shù)形結(jié)合的思想方法。 數(shù)形結(jié)合是一個數(shù)學思想方法，包含“以形助數(shù)”和“以數(shù)輔形”兩個方面，其實質(zhì)是將抽象的數(shù)學語言與直觀的圖像結(jié)合起來，關(guān)鍵是代數(shù)問題與圖形之間的相互轉(zhuǎn)化，它可以使代數(shù)問題幾何化，幾何問題代數(shù)化。在運用數(shù)形結(jié)合思想分析和解決問題時，要注意三點：第一要徹底明白一些概念和運算的幾何意義以及曲線的代數(shù)特征，對數(shù)學題目中的條件和結(jié)論既分析其幾何意義又分析其代數(shù)意義；第二是恰當設(shè)參、合理用參，建立關(guān)系，由數(shù)思形，以形想數(shù)，做好數(shù)形轉(zhuǎn)化；第三是正確確定參數(shù)的取值范圍。 三、數(shù)形結(jié)合思想解題方法指導 1．轉(zhuǎn)換數(shù)與形的三條途徑： ① 通過坐標系的建立，引入數(shù)量化靜為動，以動求解。 ② 轉(zhuǎn)化，通過分析數(shù)與式的結(jié)構(gòu)特點，把問題轉(zhuǎn)化到另一個角度來考慮，如將轉(zhuǎn)化為勾股定理或平面上兩點間的距離等。 ③ 構(gòu)造，比如構(gòu)造一個幾何圖形，構(gòu)造一個函數(shù)，構(gòu)造一個圖表等。 2．運用數(shù)形結(jié)合思想解題的三種類型及思維方法： ①“由形化數(shù)” ：就是借助所給的圖形，仔細觀察研究，提示出圖形中蘊含的數(shù)量關(guān)系，反映幾何圖形內(nèi)在的屬性。 ②“由數(shù)化形” ：就是根據(jù)題設(shè)條件正確繪制相應(yīng)的圖形，使圖形能充分反映出它們相應(yīng)的數(shù)量關(guān)系，提示出數(shù)與式的本質(zhì)特征。 ③“數(shù)形轉(zhuǎn)換” ：就是根據(jù)“數(shù)”與“形”既對立，又統(tǒng)一的特征，觀察圖形的形狀，分析數(shù)與式的結(jié)構(gòu)，引起聯(lián)想，適時將它們相互轉(zhuǎn)換，化抽象為直觀并提示隱含的數(shù)量關(guān)系。 四、數(shù)形結(jié)合思想方法的應(yīng)用 1、化靜為動用圖像 例1 已知：有向線段的起點與終點坐標分別為，，若直線與有向線段延長線相交，求實數(shù)的取值范圍。 分析：題中直線是一條過定點的動直線系，而有向線段是一條定的有向線段，要使直線與有向線段延長線相交，可先找到過一個臨界點，再從運動觀點促使直線的斜率在某一范圍內(nèi)，從而可求實數(shù)的取值范圍。 解：直線的方程可化為點斜式：，易知直線過定點且斜率為，因為與的延長線相交，由數(shù)形結(jié)合可得：當過且與平行時，直線的斜率趨近于最??；當過點時，直線的斜率趨近于最大，又，，設(shè)直線的斜率為，由 , 得 所以 評注：含有一個變量的直線方程可化為點斜式或化為經(jīng)過兩直線交點的直線系方程.本題是化為點斜式方程后，可看出交點和斜率，此類題目一般結(jié)合圖形化靜為動，以動求解，可判斷出斜率的取值范圍。 2、破解疑難構(gòu)圖像 例2 求函數(shù)的值域。 分析：本題可以把函數(shù)化為關(guān)于的三角函數(shù)，然后利用其有界性求值域，但其運算量大，對學生的運算能力有較高要求，有一定難度。此題可看成過兩點（）,構(gòu)成直線的斜率的范圍，又（）在一個單位圓上，故可構(gòu)造圖像求此函數(shù)值域。 解：的形式類似于斜率公式 M 表示過兩點（）,構(gòu)成直線的斜率 由于點在單位圓上，如圖， 顯然，設(shè)過的圓的切線方程為 則有，解得，即， 評注：本題考查了三角函數(shù)值域與直線斜率之間的內(nèi)在聯(lián)系，考查學生的數(shù)形結(jié)合的能力。 在解決三角函數(shù)的有關(guān)問題時，若把三角函數(shù)的性質(zhì)、化簡的形式通過構(gòu)造思想融于函數(shù)的圖象之中，將數(shù)（量）與圖形結(jié)合起來進行分析、研究，使抽象復(fù)雜的數(shù)量關(guān)系通過幾何圖形直觀地表現(xiàn)出來，這是解決三角函數(shù)問題的一種思維策略。 3、尋求正解配圖像 例3 設(shè)A=，B=，C=，若，求實數(shù)的取值范圍。 分析：解決本題的關(guān)鍵是依靠二次函數(shù)在區(qū)間上的值域求法確定集合C，進而用不等式將這一集合語言加以轉(zhuǎn)化。 解：∵在上是增函數(shù)，∴B=。 作出函數(shù)的圖象，其定義域右端點有三種不同的位置關(guān)系： ①當時，如圖1，，即｛z|｝。 要使，必須且只需，解得，與矛盾。 ②當時，如圖2，，即｛z|｝. 要使，必須且只需，解得。 ③當時，如圖3，，即｛z|｝。 要使，必須且只需，解得。 ④當時，A=，此時B=C=，成立。 綜上所述，a的取值范圍是。 評注：解決集合問題首先要看清元素究竟是什么，然后再把集合語言“翻譯”為數(shù)學語言，進而分析條件與結(jié)論的特點，再將其轉(zhuǎn)化為圖形語言，利用數(shù)形結(jié)合的思想來解決。 對于二次函數(shù)在閉區(qū)間上的最值問題，應(yīng)抓住對稱軸與所給區(qū)間的相對位置關(guān)系，借助圖象的直觀形象，達到解決問題的目的。 4、結(jié)論模糊畫圖像 例4 （08年高考湖南卷理3改編）已知變量x、y滿足條件 求的最大值. 分析：本題實質(zhì)是線性規(guī)劃問題，運用圖像畫平面區(qū)域，再求線性目標函數(shù)的最值。 解：如圖所示，可行域為圖中陰影部分（包括邊界線），則z=在A點處取得最大值，由得A（3，3），故最大值為3＋3=6. 評注：二元一次不等式組與二元函數(shù)的對應(yīng)實質(zhì)上是簡單線性規(guī)劃問題，利用可行域可以求目標函數(shù)的最值，屬于典型的數(shù)形結(jié)合的案例。值得注意的是，目標函數(shù)對應(yīng)的直線與邊界直線斜率的大小關(guān)系用于確定最優(yōu)解的正確位置應(yīng)仔細觀察各直線的傾斜程度，準確判定可行域內(nèi)的最優(yōu)解。 總之，數(shù)形結(jié)合思想是數(shù)學中基本而又重要的思想，是解答數(shù)學試題的的一種常用方法與技巧，特別是在解決選擇、填空題是發(fā)揮著奇特功效。數(shù)學家華羅庚曾指出：“數(shù)缺形時少直觀，形少數(shù)時難入微；數(shù)形結(jié)合百般好，隔裂分家萬事非?！笨梢姅?shù)形結(jié)合的思想可以使某些抽象的數(shù)學問題直觀化、生動化，能夠變抽象思維為形象思維，有助于把握數(shù)學問題的本質(zhì)。在高考復(fù)習時，同學們必須隨時注意運用數(shù)形結(jié)合思想，復(fù)習中要以熟練技能、方法為目標，加強這方面的訓練，以提高解題能力和速度。