美妙神奇的同构式

数学以美妙神奇著称.数学的美妙,如对称和谐,不是嗅觉、味觉和听觉所能体味到的,要用心灵去触摸;数学的神奇是指解决问题的功能巨大、出其不意、应用广泛和生命力强盛.“同构式”就是具有深刻意义的一种对称和谐的式子.现举几道巧用“同构式”来解决的典型题目,通过解剖、赏析,用心来品尝,我们就可知它的“味道好极了”!

一、 何谓同构式

“同构”是指“结构相同”.设有ax21+bx1+c=0,ax22+bx2+c=0(a≠0),两式中除字母x的下标不同外,其余的完全一致,这就是结构相同.去掉两式中的下标,得ax2+bx+c=0,奇迹出现了,x1,x2就是此方程的两根,智慧“碰撞”迸发出灵感的“火花”!当然,同构式决不只限于这类形式,利用美妙神奇激发思维的创造性,类比联想、变通灵活、能力迁移显示的是无穷的魅力和威力.

二、 巧用同构 出奇制胜

若同构式理论只能解决一两道题,则其生命力极为有限.反之,若伸展思维的强劲翅膀,开阔视野、丰富联想、穿云破雾,在“形异”中窥得“质同”,则可发现同构式的理论可在广阔的天地里大显身手.广而言之,在这种理念的启导下,其他许多的数学思想方法、技能、技巧也都可以纵横驰骋、左右逢源、浮想联翩和出奇制胜.

例1 若不同的两条直线a1x+b1y+c=0,a2x+b2y+c=0相交于点(p,q)(p,q不同时为0),求过不同的两点A(a1,b1),B(a2, b2)的直线方程.

解析

因为点(p,q)是两条直线的交点,所以a1p+b1q+c=0,a2p+b2q+c=0,

即pa1+qb1+c=0,pa2+qb2+c=0,则可知点A(a1,b1)与B(a2,b2)都在直线px+qy+c=0上,又两点确定一条直线,故过A,B两点的直线为px+qy+c=0.

点睛题目中除下标数字与等号右边的数0外,全都是字母,即便历尽千难万险求出两条直线的交点坐标,再往下仍会感到束手无策.这时同构式理论显奇能!将a1p+b1q+c=0,a2p+b2q+c=0改写为pa1+qb1+c=0,pa2+qb2+c=0,虽然只是交换了两个字母的位置,但观察问题的视角就大不相同了.这就叫变通灵活.

例2 ABC的三边长分别为a,b,c,m为正数,求证:aa+m+bb+m>cc+m.

解析

构造辅助函数f(x)=xx+m,则f(x)=xx+m=1-mx+m,易知g(x)=mx+m在(0,+∞)上单调递减,则f(x)在(0,+∞)上单调递增,所以由a+b>c,得f(a+b)>f(c),即a+ba+b+m>cc+m.

又a+ba+b+m=aa+b+m+ba+b+m<aa+m+bb+m,故aa+m+bb+m>cc+m.

点睛不等式两端的三个式子的共同点是??+m,这又是一种类型的同构式,于是辅助函数应运而生.再利用函数的单调性、三角形两边之和大于第三边以及放缩法,突破获证.

例3 如***1,在直角坐标系xOy中,ABC的顶点分别为A(0,a),B(b,0),C(c,0).点P(0,p)***段AO上(异于端点),设a,b,c,p为非零常数.若直线BP,CP分别与边AC,AB交于点E,F.某同学已正确求得直线OE的方程是1b-1cx+1p-1ay=0,那么有直线OF的方程为( )x+1p-1ay=0.

解析直线AB的方程为xb+ya=1,

直线CP的方程为xc+yp=1.

因为点F既在直线AB上,又在直线CP上,所以点F的坐标满足上述两个方程.

两式相减,得1c-1bx+1p-1ay=0,则点F的坐标满足此方程,又原点O的坐标也满足此方程,且两点确定一条直线,故直线OF的方程为1c-1bx+1p-1ay=0,其中x的系数为1c-1b.

点睛与例1一样,若求出直线AB与CP的交点F的坐标,难度太大.题目虽给出了所求直线方程中y的系数,只要求x的系数,似乎是一种提示,但意义并不大.胡乱猜想,又颇具风险.对同构式的观察、判断和应用,对“形异质同”的识别,依靠的是基于思维深刻性的洞察力.“两式相减”,夸张地说,是“神来之笔”;其实熟能生巧,也属平常.

***1

***2

例4 如***2,设抛物线E:x2=2py(p>0),M为直线y=-2p上任意一点,过M引抛物线E的两条切线,切点分别为A,B.求证:A,M,B三点的横坐标成等差数列.

解析

由x2=2py,得y=x22p,则可设Ax1,x212p,Bx2,x222p.

求导,得y′=xp,则两条切线的斜率分别为x1p,x2p,又设M(x0,-2p),

所以切线MA的方程为y+2p=x1p(x-x0),MB的方程为y+2p=x2p(x-x0),

因为A,B分别在直线MA,MB上,所以x212p+2p=x1p(x1-x0),x222p+2p=x2p(x2-x0),

分别化简,得x21-2x0x1-4p2=0,x22-2x0x2-4p2=0,

则可知x1,x2是方程x2-2x0x-4p2=0的两根,则x1+x2=2x0,故x1,x0,x2成等差数列.

点睛在这里,同构式的获得过程有些曲折.由A,B分别在直线MA,MB上,得到的式子比较复杂,且不大像同构式.但如果心中有同构的思想,且知欲证的是x1+x2=2x0,便想到了韦达定理和一元二次方程,那么经过一番有目标的“改造”,变别扭为自然,就不难得同构式.

***3

例5 如***3,过点M(2,1)的椭圆C:x2a2+y2b2=1(a>b>0)的一个焦点是F1(-2, 0).

(1) 求椭圆C的方程;

(2) 设过点P(4,1)的动直线l与椭圆C相交于不同的两个点A,

B,且***段AB上取一点Q,满足|AP|・|QB|=|AQ|・|PB|,求证:点Q总在某定直线上.

两式相减,得8(2x+y-2)λ=0(λ≠0),所以2x+y-2=0,故点Q(x,y)在定直线2x+y-2=0上.

点睛得到上述两个式子的过程看似很麻烦,其实是很自然的,沉住气仔细点,不难得到.关键是如何通过“改造”得到这两个式子.尝试性地进行化简,再以λ为主元,整理得另一种类型的同构式.目标是消去λ,而λ2的系数相同,λ的系数互为相反数,故相减奏效.

***4

例6 如***4,设点P(x0,y0)在直线x=m(y0≠±m,0<m<1)上,过点P作双曲线x2-y2=1的两条切线PA,PB,切点分别为A,B,设定点M1m,0.求证:A,M,B三点共线.

解析

设A(x1,y1),B(x2,y2),由已知得y1y2≠0,且x21-y21=1,x22-y22=1.

设切线PA的方程为y-y1=k(x-x1),代入x2-y2=1并化简,

得(1-k2)x2-2k(y1-kx1)x-(y1-kx1)2-1=0.

由Δ=4k2(y1-kx1)2+4(1-k2)(y1-kx1)2+4(1-k2)=0,

解得k=x1y1,则PA的方程为y-y1=x1y1(x-x1),即y1y=x1x-1.

同理,PB的方程为y2y=x2x-1.

因为点P(m,y0)在切线上,所以有y1y0=x1m-1,

y2y0=x2m-1,

即点A(x1,y1),B(x2,y2)都在直线y0y=mx-1上.

又点M1m,0也在此直线上,故A,M,B三点共线.

点睛若不是同构式的“见义勇为”,此题获证的难度之大可想而知.

负责任地告诉你,上面各例基本上都是高考试题,耐人寻味吧?

***5

1 如***5,点A,B为抛物线y2=4px(p>0)上原点以外的两个动点,已

知OAOB, OMAB于M.求点M的轨迹方程,并说明它表示什么曲线.

2 设A,B是椭圆3x2+y2=λ上的两点,点N(1,3)是线段AB的中

点,线段AB的垂直平分线与椭圆相交于C,D两点.确定λ的取值范围,并

求直线AB的方程.

1 设A(4pt21,4pt1),B(4pt22,4pt2),则由OAOB,易得t1t2=-1.

分别以OA,OB为直径作圆,则点M就是这两个圆除原点以外的另一个交点,而两圆的方程分别为x(x-4pt21)+y(y-4pt1)=0,x(x-4pt22)+y(y-4pt2)=0,

即x2+y2-4pt21x-4pt1y=0,

x2+y2-4pt22x-4pt2y=0.

所以t1,t2为关于t的方程4pxt2+4pyt-(x2+y2)=0的两根,则t1t2=-x2+y24px.

所以-x2+y24px=-1,故所求轨迹方程为x2+y2-4px=0,

即(x-2p)2+y2=4p2(x≠0),表示以(2p,0)为圆心,2p为半径的圆,且去掉原点.

2 λ∈(12,+∞),直线AB的方程为x+y-4=0.

美妙神奇的同构式

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