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三、分類與整合思想
分類與整合思想是將一個(gè)較復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題分解(或分割)成若干個(gè)基礎(chǔ)性問題,通過對基礎(chǔ)性問題的解答來實(shí)現(xiàn)解決原問題的思想策略.對問題實(shí)行分類與整合,分類標(biāo)準(zhǔn)等于增加一個(gè)已知條件,實(shí)現(xiàn)了有效增設(shè),將大問題(或綜合性問題)分解為小問題(或基礎(chǔ)性問題),優(yōu)化解題思路,降低問題難度;分類研究后還要對討論結(jié)果進(jìn)行整合.
方法一 公式、定理分類整合法
模型解法
公式、定理分類整合法即利用數(shù)學(xué)中的基本公式、定理對研究對象進(jìn)行分類,然后分別對每類問題進(jìn)行解決的方法.此方法多適用于公式、定理自身需要分類討論的情況.破解此類題的關(guān)鍵點(diǎn):
2、①分類轉(zhuǎn)化,結(jié)合已知所涉及的知識(shí)點(diǎn),找到合理的分類標(biāo)準(zhǔn).
②依次求解,對每個(gè)分類所對應(yīng)的問題,逐次求解.
③匯總結(jié)論,匯總分類結(jié)果,得結(jié)論.
典例1 設(shè)等比數(shù)列{an}的公比為q,前n項(xiàng)和Sn>0 (n=1,2,3,…),則q的取值范圍是________.
解析 由{an}是等比數(shù)列,Sn>0,
可得a1=S1>0,q≠0,當(dāng)q=1時(shí),Sn=na1>0.
當(dāng)q≠1時(shí),Sn=>0,
即>0(n=1,2,3,…),
則有 ①
或 ②
由①得-11.
故q的取值范圍是(-1,0)∪(0,+∞).
答案 (-1,0)∪(0,+∞)
思維升華 公式、定理
3、的分類整合法的分類一般比較固定,由定理、公式的限制引起的分類整合法往往是因?yàn)橛械臄?shù)學(xué)定理、公式是分類給出的,在不同的條件下結(jié)論不一致,如等比數(shù)列的前n項(xiàng)和公式、函數(shù)的單調(diào)性等.
跟蹤演練1 Sn是等比數(shù)列{an}的前n項(xiàng)和,若S4,S3,S5成等差數(shù)列,則{an}的公比為( )
A. B.2 C.- D.-2
答案 D
解析 設(shè){an}的公比為q(q≠0),由等比數(shù)列{an}的前n項(xiàng)和為Sn,且S4,S3,S5成等差數(shù)列,得2S3=S4+S5.
當(dāng)q=1時(shí),S4=4a1,S3=3a1,S5=5a1,
此時(shí)2S3≠S4+S5,不滿足題意;
當(dāng)q≠1時(shí),有=+,即q2+q-
4、2=0,
解得q=-2或q=1(舍去).
方法二 位置關(guān)系的分類整合法
模型解法
對于幾何中位置關(guān)系的分類討論問題常采用分類整合法,這種方法適用于解析幾何中直線與圓錐曲線的位置關(guān)系,以及幾何圖形中點(diǎn)、線、面的位置關(guān)系的研究.破解此類題的關(guān)鍵點(diǎn):
①確定特征,一般在確立初步特征時(shí)將能確定的所有位置先確定.
②分類,根據(jù)初步特征對可能出現(xiàn)的位置關(guān)系進(jìn)行分類.
③得出結(jié)論,將“所有關(guān)系”下的目標(biāo)問題進(jìn)行匯總處理.
典例2 在約束條件下,當(dāng)3≤s≤5時(shí),z=3x+2y的最大值的變化范圍是( )
A.[6,15] B.[7,15]C.[6,8] D.[7,8]
解析 由可得
5、由圖,可得A(2,0),B(4-s,2s-4),C(0,s),C′(0,4).
①當(dāng)3≤s<4時(shí),不等式組所表示的可行域是四邊形OABC及其內(nèi)部,此時(shí),z=3x+2y在點(diǎn)B處取得最大值,且zmax=3(4-s)+2(2s-4)=s+4,由3≤s<4,得7≤zmax<8.
②當(dāng)4≤s≤5時(shí),不等式組所表示的可行域是△OAC′及其內(nèi)部,此時(shí)z=3x+2y在點(diǎn)C′處取得最大值,且zmax=8.
綜上可知,z=3x+2y的最大值的變化范圍是[7,8],故選D.
答案 D
思維升華 (1)在解析幾何位置關(guān)系的研究中,不能僅僅關(guān)注直線與圓錐曲線的位置關(guān)系中的相交、相離和相切三種情況,還要注意
6、焦點(diǎn)在不同位置時(shí)的關(guān)系的探究.
(2)在幾何圖形的相關(guān)問題中,要充分發(fā)揮空間想象能力,將所有可能出現(xiàn)的關(guān)系“一網(wǎng)打盡”.如本題隨著s取值的變化,目標(biāo)函數(shù)值是會(huì)隨著變化的,如果考慮不全,就會(huì)得出錯(cuò)誤結(jié)論.
跟蹤演練2 拋物線y2=4px(p>0)的焦點(diǎn)為F,P為其上的一點(diǎn),O為坐標(biāo)原點(diǎn),若△OPF為等腰三角形,則這樣的點(diǎn)P的個(gè)數(shù)為________.
答案 4
解析 當(dāng)|PO|=|PF|時(shí),點(diǎn)P在線段OF的中垂線上,此時(shí),點(diǎn)P的位置有兩個(gè);當(dāng)|OP|=|OF|時(shí),點(diǎn)P的位置也有兩個(gè);對|FO|=|FP|的情形,點(diǎn)P不存在.事實(shí)上,F(xiàn)(p,0),若設(shè)P(x,y),則|FO|=p,|FP|=,
7、
若=p,則有x2-2px+y2=0,
又∵y2=4px,∴x2+2px=0,解得x=0或x=-2p,
當(dāng)x=0時(shí),不構(gòu)成三角形.當(dāng)x=-2p(p>0)時(shí),與點(diǎn)P在拋物線上矛盾.∴符合要求的點(diǎn)P有4個(gè).
方法三 含參問題的分類整合法
模型解法
含參問題的分類整合法是分類討論問題中最重要、最常見也是最復(fù)雜的一種方法,在解決問題中一般根據(jù)參數(shù)的取值范圍進(jìn)行分類.此模型適用于某些含有參數(shù)的問題,如含參的方程、不等式等,由于參數(shù)的取值不同會(huì)導(dǎo)致所得的結(jié)果不同,或?qū)τ诓煌膮?shù)值要運(yùn)用不同的方法進(jìn)行求解或證明,因此要分類討論.破解此類題的關(guān)鍵點(diǎn):
①確定范圍,確定需要分類問題中參數(shù)的取值范
8、圍.
②確定分類標(biāo)準(zhǔn),這些分類標(biāo)準(zhǔn)都是在解題過程中根據(jù)解決問題的需要確定的,注意有些參數(shù)可能出現(xiàn)多級(jí)分類,要做到不重不漏.
③分類解決問題,對分類出來的各相應(yīng)問題分別進(jìn)行求解.
④得出結(jié)論,將所得到的結(jié)論進(jìn)行匯總,得出正確結(jié)論.
典例3 函數(shù)f(x)=ax2+4x-3在[0,2]上有最大值f(2),則實(shí)數(shù)a的取值范圍為( )
A.(-∞,-1] B.[-1,+∞)
C.(-∞,0) D.(0,+∞)
解析 方法一 當(dāng)a=0時(shí),f(x)=4x-3在[0,2]上為單調(diào)遞增函數(shù),最大值為f(2),滿足題意.
當(dāng)a≠0時(shí),函數(shù)f(x)=ax2+4x-3=a2-3-,其對稱軸為
9、x=-.
當(dāng)a>0時(shí),f(x)=ax2+4x-3在[0,2]上為單調(diào)遞增函數(shù),最大值為f(2),滿足題意.
當(dāng)a<0時(shí),只有當(dāng)-≥2,即-1≤a<0時(shí),f(x)=ax2+4x-3在[0,2]上為單調(diào)遞增函數(shù),最大值為f(2),滿足題意.
綜上,當(dāng)a≥-1時(shí),函數(shù)f(x)=ax2+4x-3在[0,2]上有最大值f(2).
故選B.
方法二 由f(x)=ax2+4x-3,得f′(x)=2ax+4,
要使函數(shù)f(x)=ax2+4x-3在[0,2]上有最大值f(2),
需使f(x)=ax2+4x-3在[0,2]上為單調(diào)遞增函數(shù),則f′(x)=2ax+4≥0在[0,2]上恒成立,
當(dāng)x=
10、0時(shí)成立,當(dāng)x≠0時(shí),由x∈(0,2],得a≥-,
因?yàn)椋?0,2]上的最大值為-1,所以a≥-1.
綜上,當(dāng)a≥-1時(shí),函數(shù)f(x)=ax2+4x-3在[0,2]上有最大值f(2).故選B.
答案 B
思維升華 對于含參問題的分類討論主要有以下三種類型:(1)概念型,即問題所涉及的數(shù)學(xué)概念是分類進(jìn)行定義的,如|a|的定義分a>0,a=0,a<0三種情況.
(2)性質(zhì)型,即問題中涉及的數(shù)學(xué)定理、公式和運(yùn)算性質(zhì)、法則有范圍或者條件限制、或者是分類給出的,如等比數(shù)列的前n項(xiàng)和公式,分q=1和q≠1兩種情況.
(3)含參型,求解含有參數(shù)的問題時(shí),必須根據(jù)參數(shù)的不同取值范圍進(jìn)行討論.另外
11、,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,都需要通過分類討論,保證其完整性,使之具有確定性.
跟蹤演練3 已知橢圓C的兩個(gè)焦點(diǎn)分別為F1(-1,0),F(xiàn)2(1,0),且F2到直線x-y-9=0的距離等于橢圓的短軸長.
(1)求橢圓C的方程;
(2)若圓P的圓心為P(0,t)(t>0),且經(jīng)過F1,F(xiàn)2兩點(diǎn),Q是橢圓C上的動(dòng)點(diǎn)且在圓P外,過Q作圓P的切線,切點(diǎn)為M,當(dāng)|QM|的最大值為時(shí),求t的值.
解 (1)設(shè)橢圓的方程為+=1(a>b>0),
依題意可得2b==4,
所以b=2,又c=1,所以a2=b2+c2=5,
所以橢圓C的方程為+=1.
(2)設(shè)Q(x,y),
圓P的方程為x2+(y-t)2=t2+1,
連接PM,因?yàn)镼M為圓P的切線,
所以PM⊥QM,
所以|QM|=
=
=.
①若-4t≤-2,即t≥時(shí),
當(dāng)y=-2時(shí),|QM|取得最大值,
且|QM|max==,
解得t=<(舍去).
②若-4t>-2,即0