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    數(shù)學(xué)開放性問題怎么解

                            陜西永壽縣中學(xué)    特級(jí)教師安振平

          

    數(shù)學(xué)開放性問題是近年來高考命題的一個(gè)新方向,其解法靈活且具有一定的探索性,這類題型按解題目標(biāo)的操作模式分為:規(guī)律探索型,問題探究型,數(shù)學(xué)建模型,操作設(shè)計(jì)型,情景研究型.如果未知的是解題假設(shè),那么就稱為條件開放題;如果未知的是解題目標(biāo),那么就稱為結(jié)論開放題;如果未知的是解題推理,那么就稱為策略開放題.當(dāng)然,作為數(shù)學(xué)高考題中的開放題其“開放度”是較弱的,如何解答這類問題,還是通過若干范例加以講解.

     

    例 1 設(shè)等比數(shù)列的公比為  ,前 項(xiàng)和為 ,是否存在常數(shù) ,使數(shù)列 也成等比數(shù)列?若存在,求出常數(shù);若不存在,請(qǐng)  明 理 由.

       講解 存在型開放題的求解一般是從假設(shè)存在入手, 逐步深化解題進(jìn)程的.

       設(shè)存在常數(shù), 使數(shù)列 成等比數(shù)列.

              

        

         (i) 當(dāng)  時(shí), 代入上式得

              即=0

    但, 于是不存在常數(shù) ,使成等比數(shù)列.

         (ii) 當(dāng) 時(shí),, 代 入 上 式 得

        .

           綜 上 可 知 ,  存 在 常 數(shù) ,使成等比數(shù)列.

       等比數(shù)列n項(xiàng)求和公式中公比的分類, 極易忘記公比的 情 形, 可 不 要 忽 視 啊 !

    例2  某機(jī)床廠今年年初用98萬元購進(jìn)一臺(tái)數(shù)控機(jī)床,并立即投入生產(chǎn)使用,計(jì)劃第一年維修、保養(yǎng)費(fèi)用12萬元,從第二年開始,每年所需維修、保養(yǎng)費(fèi)用比上一年增加4萬元,該機(jī)床使用后,每年的總收入為50萬元,設(shè)使用x年后數(shù)控機(jī)床的盈利額為y萬元.

    (1)寫出y與x之間的函數(shù)關(guān)系式;

    (2)從第幾年開始,該機(jī)床開始盈利(盈利額為正值);

     (3 ) 使用若干年后,對(duì)機(jī)床的處理方案有兩種:

     (i )當(dāng)年平均盈利額達(dá)到最大值時(shí),以30萬元價(jià)格處理該機(jī)床;

         (ii )當(dāng)盈利額達(dá)到最大值時(shí),以12萬元價(jià)格處理該機(jī)床,問用哪種方案處理較為合算?請(qǐng)說明你的理由.

    講解 本例兼顧應(yīng)用性和開放性, 是實(shí)際工作中經(jīng)常遇到的問題.

       (1)

                =.                                    

       (2)解不等式  >0,

    得       <x<.

    ∵ x∈N,  ∴ 3 ≤x≤ 17.

    故從第3年工廠開始盈利.

    (3)(i) ∵ ≤40

    當(dāng)且僅當(dāng)時(shí),即x=7時(shí),等號(hào)成立.

    ∴ 到2008年,年平均盈利額達(dá)到最大值,工廠共獲利12×7+30=114萬元.

    (ii)  y=-2x2+40x-98= -2(x-10)2 +102,

    當(dāng)x=10時(shí),ymax=102.

    故到2011年,盈利額達(dá)到最大值,工廠共獲利102+12=114萬元.

    解答函數(shù)型最優(yōu)化實(shí)際應(yīng)用題,二、三元均值不等式是常用的工具.

    (2)  ∵ , ∴=4.

    ∴{}是公差為4的等差數(shù)列.

    試題詳情

    ∵a1=1,  ∴=+4(n-1)=4n-3.

    ∵an>0 , ∴an=.                                        

    (3)   bn=Sn+1-Sn=an+12=, 由bn<,得 m>對(duì)于n∈N成立.

    ∵≤5 ,

    ∴m>5,存在最小正數(shù)m=6,使得對(duì)任意n∈N有bn<成立.

    為了求an ,我們先求,這是因?yàn)閧}是等差數(shù)列, 試問: 你能夠想到嗎? 該題是構(gòu)造等差數(shù)列的一個(gè)典范.

    例4  已知數(shù)列在直線x-y+1=0上.

    (1)       求數(shù)列{an}的通項(xiàng)公式;

    (2)若函數(shù)

    求函數(shù)f(n)的最小值;

       (3)設(shè)表示數(shù)列{bn}的前n項(xiàng)和.試問:是否存在關(guān)于n 的整式g(n), 使得對(duì)于一切不小于2的自然數(shù)n恒成立?若存在,寫出g(n)的解析式,并加以證明;若不存在,說明理由.  

        講解  從 規(guī) 律 中 發(fā) 現(xiàn) ,從 發(fā) 現(xiàn) 中 探 索.

       (1)

          

        (2) ,

             ,

         .

        

        (3),

          

          .

          

          

         

         故存在關(guān)于n的整式使等式對(duì)于一切不小2的自然數(shù)n恒成立.

         事實(shí)上, 數(shù)列{an}是等差數(shù)列, 你知道嗎?

        例5  深夜,一輛出租車被牽涉進(jìn)一起交通事故,該市有兩家出租車公司――紅色出租車公司和藍(lán)色出租車公司,其中藍(lán)色出租車公司和紅色出租車公司分別占整個(gè)城市出租車的85%和15%。據(jù)現(xiàn)場目擊證人說,事故現(xiàn)場的出租車是紅色,并對(duì)證人的辨別能力作了測試,測得他辨認(rèn)的正確率為80%,于是警察就認(rèn)定紅色出租車具有較大的肇事嫌疑. 請(qǐng)問警察的認(rèn)定對(duì)紅色出租車公平嗎?試說明理由.

        講解  設(shè)該城市有出租車1000輛,那么依題意可得如下信息:

     

     

    證人所說的顏色(正確率80%)

    實(shí)

     

    藍(lán)色

    紅色

    合計(jì)

    藍(lán)色(85%)

    680

    170

    850

    紅色(15%)

    30

    120

    150

    合計(jì)

    710

    290

    1000

    從表中可以看出,當(dāng)證人說出租車是紅色時(shí),且它確實(shí)是紅色的概率為,而它是藍(lán)色的概率為. 在這種情況下,以證人的證詞作為推斷的依據(jù)對(duì)紅色出租車顯然是不公平的.

    本題的情景清新, 涉及到新教材中概率的知識(shí), 上述解法中的列表技術(shù)顯示了一定的獨(dú)特性, 在數(shù)學(xué)的應(yīng)試復(fù)課中似乎是很少見的.

        例6  向明中學(xué)的甲、乙兩同學(xué)利用暑假到某縣進(jìn)行社會(huì)實(shí)踐,對(duì)該縣的養(yǎng)雞場連續(xù)六年來的規(guī)模進(jìn)行調(diào)查研究,得到如下兩個(gè)不同的信息圖:

     

     

     

     

     

     

     

     

     

       (A)圖表明:從第1年平均每個(gè)養(yǎng)雞場出產(chǎn)1萬只雞上升到第6年平均每個(gè)養(yǎng)雞場出產(chǎn)2萬只雞;

       (B)圖表明:由第1年養(yǎng)雞場個(gè)數(shù)30個(gè)減少到第6年的10個(gè).

       請(qǐng)你根據(jù)提供的信息解答下列問題:

       (1)第二年的養(yǎng)雞場的個(gè)數(shù)及全縣出產(chǎn)雞的總只數(shù)各是多少?

       (2)哪一年的規(guī)模最大?為什么?

       講解 (1)設(shè)第n年的養(yǎng)雞場的個(gè)數(shù)為,平均每個(gè)養(yǎng)雞場出產(chǎn)雞萬只,

         由圖(B)可知, =30,且點(diǎn)在一直線上,

    從而 

         由圖(A)可知, 且點(diǎn)在一直線上,

    于是  

         =(萬只),(萬只)

    試題詳情

         第二年的養(yǎng)雞場的個(gè)數(shù)是26個(gè),全縣出產(chǎn)雞的總只數(shù)是31.2萬只;

         (2)由(萬只),

    試題詳情

         第二年的養(yǎng)雞規(guī)模最大,共養(yǎng)雞31.2萬只.

         有時(shí)候我們需要畫出圖形, 有時(shí)候我們卻需要從圖形中采集必要的信息, 這正反映了一個(gè)事物的兩個(gè)方面. 看來, 讀圖與識(shí)圖的能力是需要不斷提升的.

    例7 已知?jiǎng)訄A過定點(diǎn)P(1,0),且與定直線相切,點(diǎn)C在l上.

       (1)求動(dòng)圓圓心的軌跡M的方程;

       (2)設(shè)過點(diǎn)P,且斜率為-的直線與曲線M相交于A,B兩點(diǎn).

       (i)問:△ABC能否為正三角形?若能,求點(diǎn)C的坐標(biāo);若不能,說明理由;

       (ii)當(dāng)△ABC為鈍角三角形時(shí),求這種點(diǎn)C的縱坐標(biāo)的取值范圍.

    講解  本例主要考查直線、圓與拋物線的基本概念及位置關(guān)系,是解析幾何中的存在性問題.

    (1)由曲線M是以點(diǎn)P為焦點(diǎn),直線l為準(zhǔn)線的拋物線,知曲線M的方程為.

    (2)(i)由題意得,直線AB的方程為 消y得

    于是,  A點(diǎn)和B點(diǎn)的坐標(biāo)分別為A,B(3,),

    假設(shè)存在點(diǎn)C(-1,y),使△ABC為正三角形,則|BC|=|AB|且|AC|=|AB|,

    即有

       

    由①-②得

     

    因?yàn)椴环息,所以由①,②組成的方程組無解.

    故知直線l上不存在點(diǎn)C,使得△ABC是正三角形.

    (ii)設(shè)C(-1,y)使△ABC成鈍角三角形,

    即當(dāng)點(diǎn)C的坐標(biāo)是(-1,)時(shí),三點(diǎn)A,B,C共線,故.

      ,

      ,   

      .

      (i) 當(dāng),即,

     即為鈍角.

    (ii) 當(dāng),即,

     即為鈍角.

    (iii)當(dāng),即,

     即.   該不等式無解,所以∠ACB不可能為鈍角.

    故當(dāng)△ABC為鈍角三角形時(shí),點(diǎn)C的縱坐標(biāo)y的取值范圍是.

    需要提及的是, 當(dāng)△ABC為鈍角三角形時(shí), 鈍角的位置可能有三個(gè),需要我們進(jìn)行一一探討.

    例8 已知是定義在R上的不恒為零的函數(shù),且對(duì)于任意的a,b∈R都滿足關(guān)系式  .

       (1)求f(0),f(1)的值;

       (2)判斷的奇偶性,并證明你的結(jié)論;

       (3)若,求數(shù)列{un}的前n項(xiàng)的和Sn.

    講解 本題主要考查函數(shù)和數(shù)列的基本知識(shí),考查從一般到特殊的取特值求解技巧.

       (1)在中,令得

               .

         在中,令得

            ,有 .

       (2)是奇函數(shù),這需要我們進(jìn)一步探索. 事實(shí)上 

            

           

            

            故為奇函數(shù).

    (2)       從規(guī)律中進(jìn)行探究,進(jìn)而提出猜想.

     由   

           ,

             ………………………………

    猜測  .

    于是我們很易想到用數(shù)學(xué)歸納法證明.

         1° 當(dāng)n=1時(shí),,公式成立;

         2°假設(shè)當(dāng)n=k時(shí),成立,那么當(dāng)n=k+1時(shí),

    ,公式仍然成立.

         綜上可知,對(duì)任意成立.

      從而   .

        

         ,.

         故

          

    例9  若、,

    (1)求證:;

        (2)令,寫出、、、的值,觀察并歸納出這個(gè)數(shù)列的通項(xiàng)公式;

        (3)證明:存在不等于零的常數(shù)p,使是等比數(shù)列,并求出公比q的值.

    講解  (1)采用反證法. 若,即, 解得

    從而與題設(shè),相矛盾,

       故成立.

     (2) 、、、、,

         .

    (3)因?yàn)?nbsp;又,

    所以,

    因?yàn)樯鲜绞顷P(guān)于變量的恒等式,故可解得、.

        我們證明相等的問題太多了,似乎很少見到證明不相等的問題,是這樣嗎?

    例10 如圖,已知圓A、圓B的方程分別是動(dòng)圓P與圓A、圓B均外切,直線l的方程為:.

    (1)求圓P的軌跡方程,并證明:當(dāng)時(shí),點(diǎn)P到點(diǎn)B的距離與到定直線l距離的比為定值;

    (2) 延長PB與點(diǎn)P的軌跡交于另一點(diǎn)Q,求的最小值;

    (3)如果存在某一位置,使得PQ的中點(diǎn)R在l上的射影C,滿足求a的取值范圍.

       講解(1)設(shè)動(dòng)圓P的半徑為r,則|PA|=r+,|PB| = r + ,

    試題詳情

    ∴ |PA| -|PB| = 2.

    試題詳情

    ∴ 點(diǎn)P的軌跡是以A、B為焦點(diǎn),焦距為4,實(shí)軸長為2的雙曲線的右準(zhǔn)線的右支,其方程為  (x ≥1).若 , 則l的方程為雙曲線的右準(zhǔn)線, ∴點(diǎn)P到點(diǎn)B的距離與到l的距離之比為雙曲線的離心率e = 2.

    (2)若直線PQ的斜率存在,設(shè)斜率為k,則直線PQ的方程為y = k ( x-2 )代入雙曲線方程, 得

    由  , 解得>3. 

    ∴  |PQ|=. 

    當(dāng)直線的斜率存在時(shí),,得,|PQ|=6.

    ∴。黀Q|的最小值為6. 

    (3)當(dāng)PQ⊥QC時(shí),P、C、Q構(gòu)成Rt△.

    ∴  R到直線l的距離|RC|=  ① 

    又 ∵  點(diǎn)P、Q都在雙曲線上,

    ∴ 。

    ∴  ,即 。

    ∴   ② 

    試題詳情

    將②代入①得 ,|PQ|=2-4a≥6.

    故有a≤-1.

    “如果存在”并不意味著一定存在, 如何修改本題使其成為不存在的范例呢? 問題的提出既能延伸我們的思緒, 更能完善我們的知識(shí)技能, 無形中使解題能力得到逐漸的提升.

     

    試題詳情


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