巧構(gòu)圖 妙解題

田曉東

(黑龍江省哈爾濱市第二十四中學(xué) 150060)

求解某些數(shù)學(xué)問(wèn)題，如果能挖掘題目中隱含的幾何意義，構(gòu)造出相應(yīng)的幾何圖形，可將隱蔽的條件直觀化，從而簡(jiǎn)化思維，獲得直觀、簡(jiǎn)捷、巧妙的解答.下面通過(guò)若干例子分類闡述.

一、構(gòu)造數(shù)軸

例1 解不等式|x+2|+|x-2|<8.

解我們把數(shù)a在數(shù)軸上對(duì)應(yīng)的點(diǎn)記為(a)，那么不等式左邊表示點(diǎn)(x)到點(diǎn)(-2)、點(diǎn)(2)的距離之和.如圖1所示，顯然點(diǎn)(x)位于點(diǎn)(-4)與點(diǎn)(4)之間時(shí)，可使距離之和小于8.

故不等式的解集為{x|-4

點(diǎn)評(píng)本題常規(guī)解法是分段討論去掉絕對(duì)值，或用平方法去掉絕對(duì)值，但運(yùn)算量都十分巨大，或?qū)?wèn)題復(fù)雜化.而巧用絕對(duì)值的幾何意義，畫(huà)出數(shù)軸，答案直觀，簡(jiǎn)捷獲解.

二、構(gòu)造圖象

例2 (第15屆全俄數(shù)學(xué)競(jìng)賽題)設(shè)x,y,z∈(0,1)，求證x(1-y)+y(1-z)+z(1-x)<1.

分析化多元為一元，構(gòu)造出相應(yīng)的函數(shù)，考查函數(shù)圖象的位置.

證明以x為主元，y、z為參數(shù)，將不等式整理成關(guān)于x的函數(shù)式，即f(x)=(1-y-z)x+y+z-yz-1<0.

由條件x∈(0,1)，知函數(shù)f(x)的圖象是定義在區(qū)間(0，1)上的一條線段.又由y、z∈(0,1)，知1-y>0,1-z>0,這樣有

f(0)=y+z-yz-1=-(1-y)(1-z)<0,

f(1)=1-y-z+y+z-yz-1=-yz<0.

因此線段位于x軸下方，故有f(x)<0，從而得

x(1-y)+y(1-z)+z(1-x)<1.

三、構(gòu)造三角形

例3 已知銳角α、β滿足條件：7sinα=5sinβ,7cosα+5cosβ=7,求α+2β的值.

解由已知式可構(gòu)造出如圖3的△ABC，其中CD⊥AB,AC=7,BC=5,∠A=α,∠B=β.可見(jiàn)7sinα=CD=5sinB,∠A=α,∠B=β.可見(jiàn)7sinα=CD=5sinβ,AD=7cosα,BD=5cosβ,AB=AD+BD=7cosα+5cosβ=7=AC,故∠ACB=∠B=β.

所以α+2β=α+β+β=∠A+∠B+∠ACB=180°.

點(diǎn)評(píng)本題的常規(guī)解法是由已知式聯(lián)立方程組，分別出求sinα、cosα、sinβ、cosβ,再利用和角及倍角公式計(jì)算sin(α+2β)或cos(α+2β),雖然方法可行，但運(yùn)算量極大，且易錯(cuò).而本文解法，由式子的結(jié)構(gòu)特征構(gòu)造出共直角邊的兩個(gè)角三角形，用各條邊來(lái)表示各式，方法直觀而簡(jiǎn)單.

四、構(gòu)造圓

例4 (1986年高考題)在平面直角坐標(biāo)系中，在y軸的正半軸上給定兩點(diǎn)A、B，試在x軸的正半軸上求點(diǎn)C，使∠ACB取得最大值.

解不妨記A(0，a),B(0,b)(a>b>0),如圖4.現(xiàn)過(guò)點(diǎn)A、點(diǎn)B作一圓，與x軸正半軸相切于點(diǎn)C，則點(diǎn)C即為所求.理由如下：

假設(shè)點(diǎn)D是x軸正半軸上異于點(diǎn)C的任一點(diǎn)，連結(jié)AC、BC、AD、BD，記AD與圓交于點(diǎn)E.由平面幾何知∠D<∠AEB=∠ACB,因此點(diǎn)C使∠ACB最大.

點(diǎn)評(píng)本題的常規(guī)解法有三角法，解析幾何法，復(fù)數(shù)法，再結(jié)合判別式，基本不等式來(lái)解答，過(guò)程繁難.而本解法構(gòu)造出直線與圓相切，妙用切割線定理，幾乎不算而解.

五、構(gòu)造切線

例5 (2017年全國(guó)卷Ⅱ理21題)已知函數(shù)f(x)=ax2-ax-xlnx,且f(x)≥0恒成立，求a的值.

解注意到x>0，那么f(x)≥0恒成立等價(jià)于a(x-1)≥lnx對(duì)x∈(0,+∞)恒成立.

令h(x)=a(x-1),g(x)=lnx.易知h(x)的圖象是過(guò)定點(diǎn)A(1，0)的直線系.而點(diǎn)A(1，0)也恰好在函數(shù)g(x)的圖象上，那么由h(x)≥g(x)恒成立，知點(diǎn)A(1，0)應(yīng)是兩者圖象的切點(diǎn)，因此直線斜率a應(yīng)是曲線g(x)在點(diǎn)A(1，0)處的導(dǎo)數(shù)值.

點(diǎn)評(píng)本題無(wú)論是用最值法還是分離參數(shù)法，解法都很煩瑣.而挖掘出式子的幾何背景，由不等式a(x-1)≥lnx恒成立，轉(zhuǎn)化為曲線的切線，使隱蔽問(wèn)題直觀化，稍算即解.

當(dāng)然了，構(gòu)造圖形的方法多種多樣，要由題目的不同而選用相應(yīng)的圖形.解題的關(guān)鍵是能夠從題目的式子和問(wèn)題中挖掘出圖形，這要求具有敏銳的觀察能力，豐富的想象能力，而這需要在平時(shí)的解題實(shí)踐中注意積累和總結(jié)升華.