【用好“题设的必不充分条件”这把“双刃剑”】题设和条件的区别

  数学推导一般可以分为两类.第一类是利用等价条件进行转化:题设…结论,最终题设与结论互为充要条件.题设的内涵没有减弱,外延也没有拓展,因此结论的正确性不容质疑.第二类是利用充分条件进行推导:题设…结论,最终结论成为题设的必要但不充分条件.如果从集合的观点来看,设满足题设的元素构成集合M,满足结论的元素构成的集合为N,若MN,则结论是题设的必要但不充分条件.可见,在第二类推导过程中,题设的内涵的性质在减弱,外延的范围在拓展.第二类推导带来“利”与“弊”两方面的后果:“利”的一方面是题设的要求可以暂时降低.如题设条件中“全部”满足可以暂时降到“局部”满足,题设的“一般性”满足暂时降到“特殊性”满足,题设的“是否存在”满足暂时降低到“假设存在”满足等等.这样,我们可以从一般先到特殊,未知暂当已知,从而把解决问题的“入口”降低.“弊”的一方面是这样的推导有可能使答案的范围扩大或者出现“增解”的现象,结果“惹祸”,甚至上当受骗之后还不察觉.因此,我们说“题设的必要不充分条件”是一把“双刃剑”.
  为了用好这把“双刃剑”,我们采用以下面的推导流程:
  题设题设的必要但不充分条件中间结果验证结论
  这种模式的推导是从一般先到特殊再回到一般,即先研究特殊情况,推出中间结果,再对特殊情况下的中间结果进行“一般性”或“存在性”的验证,最后推出结论,这样,一方面使结论与题设仍然保持等价性,另一方面使解决问题的思路简单、清晰,而且也为解决探究性问题提供了行之有效的策略.
  下面举例说明怎样使用这把“双刃剑”,来达到既能“克敌制胜”又不会“伤害自己”的目的.先来评析一道经典试题的多种解法.
  例1 (2008年江苏高考数学第14题)设函数f(x)=ax3-3x+1(x∈R),若对于任意x∈[-1,1],都有f(x)≥0成立,则实数a的值为.
  这道试题,散见在各种文献资料上有四种解法,现在分别作出评析.
  分析1 f(x)≥0恒成立f(x)min≥0.本题转化为求函数f(x)在x∈[-1,1]上的最小值.
  由题得:f′(x)=3ax2-3=3(ax2-1),
  (1) 当a≤0时,f′(x)0时,令f′(x)=3(ax2-1)=0,得x=±1a
  ① 若0  ② 若a>1,则-10,总有g(x)和h(x)相切于点P12,12,根据图,得原题等价于x∈(-1,1)时,除切点外,g(x)的图象在h(x)图象的上方
  g(1) ≥h(1) g(-1)≥h(-1)g12=h12即f(1) ≥0f(-1)≥0f12=0,得a=4.
  评注 推导过程仍然是等价转化,不过是画出了大家熟悉的三次函数与一次函数的图象,运用数形结合的思想来列出充要条件.运算量比方法1小,但思维含量要求较高,必须挖掘出隐含条件,并且依赖于直观,有风险.
  分析3 对于x∈[-1,1]都有f(x)≥0成立的必要不充分条件是f(1) =a-2≥0f(-1)=-a+4≥0即得2≤a≤4.
  在这样的限制范围下,就可以避免分析1中的分类讨论,而只需要说明分析1中的第(2) 种情况的②就可以了,从而得a=4.
  评注 整个闭区间上要满足f(x)≥0,其必要不充分条件是区间的两端要满足f(x)≥0,通过两个特殊值限制了a的取值范围,依此来减少讨论的情况,甚至避免了分类讨论,这种化繁为简的效果是显而易见的.
  分析4 受“二分法”思想的启示,在分别考虑了f(x)在x=1和x=-1处的函数值后,继续考虑f(x)在x=0和x=12处的函数值,从而写出
  “对于x∈[-1,1]都有f(x)≥0成立”的必要不充分条件f(1) ≥0f(-1)≥0f(0)≥0f12≥0,得a=4.
  评注 这是不少人津津乐道的一种小题小做的方法,并美其名曰“特值法”.其实这里包含着不小的“隐患”.题末的设问是“实数a的值为”,难道没有可能答案是“实数a的值为不存在”吗?!(个别文章的作者为了强化这种“特值法”,故意将题末的设问改成“实数a=”,来暗示实数a的值的存在,可见用心的良苦!)所以分析4必须补充验证的步骤:当a=4时,f(x)=4x3-3x+1,令f′(x)=12x2-3=0得x=±12.
  因为-10),过焦点F的动直线l交抛物线于A,B两点,O为坐标原点,求证:OA·OB为定值;
  (2) 由(1) 可知,过抛物线的焦点F的动直线l交抛物线于A,B两点,存在定点P,使得PA·PB为定值,请写出关于椭圆的类似结论,并给出证明.
  下面仅研究例3的(2) .
  运用类比推理,关于椭圆有类似的结论:过椭圆的一个焦点F的动直线l交椭圆于A,B两点,存在定点P,使得PA·PB为定值.
  不妨设椭圆方程为x2a2+y2b2=1(a>b>0),一个焦点为F(c,0).
  本题对定点P和定值PA·PB,都要探究,是一个双探究问题,难度较大.我们可以先考虑降低它的难度,对于“过椭圆的一个焦点F的动直线l”的必要但不充分条件是“过焦点的动直线的两个特殊位置(l⊥x轴及l在x轴上)”存在定点P,使得PA·PB为定值.
  椭圆与抛物线y2=2px(p>0)一样,也关于x轴对称,所以我们有理由猜想定点P在x轴上.那么定点是否也会可能在原点O处呢?不妨试试看:
  当直线l⊥x轴时,l与椭圆的两交点为Ac,b2a,Bc,-b2a,此时PA·PB=OA·OB=c2-b4a2,
  当直线l⊥x轴上时,l与椭圆的两交点为A(a,0),B(-a,0),此时PA·PB=OA·OB=-a2,
  要使PA·OB为定值,则应该有c2-b2a2=-a2,即(2a2+b2)(a2-b2)=0,得a=b,这与a>b矛盾.因此可以确定定点P不在原点O处.
  很自然的,设定点为P(x0,0),再试试看:
  当直线l⊥x轴时,PA·PB=c-x0,b2a·c-x0,-b2a=(c-x0)2-b4a2,
  当直线l在x轴上时,PA·PB=(a-x0,0)·(-a-x0,0)=x20-a2,要使PA·PB为定值,则应有(c-x0)2-b4a2=x20-a2,得x0=a2(a2+c2)-b42a2c,此时,PA·PB=b4(c2-4a2)4a4.
  通过对动直线l的两种特殊位置的探究,我们得到了这个问题的中间结果:如果存在定点P,那么P点的坐标为a2(a2+c2)-b42a2c,0,PA·PB为定值b4(c2-4a2)4a4.
  接着对动直线l的一般情况给出证明:
  若直线l不垂直于x轴,设其方程为y=k(x-c),l与椭圆交于点A(x1,y1),B(x2,y2),由y=k(x-c)x2a2+y2b2=1,得(a2k2+b2)x2-2a2ck2x+(a2c2-a2b2)=0(*)
  因为直线l与椭圆必交于两点,所以方程(*)有两个相异实根x1,x2,且
  x1+x2=2a2ck2a2k2+b2,x1x2=a2c2k2-a2b2a2k2+b2
  假设存在定点P(m,0),使得PA·PB为定值
  则PA·PB=(x1-m,y1)·(x2-m,y2)
  =(x1-m)(x2-m)+y1y2=(1+k2)x1x2-(m+ck2)(x1+x2)+m2+c2k2=
  (a4-a2b2-b4+a2m2-2a2cm)k2+(m2-a2)b2a2k2+b2(**)
  到这里有两种处理方法:
  方法1.取m=x0=a2(a2+c2)-b42a2c,代入(**)式消去k,得到PA·PB=b4(c2-4a2)4a4为定值,不过运算量较大.
  方法2:当且仅当a4-a2b2-b4+a2m2-2a2cma2=m2-a21时,(**)式为定值从而解得m=a2(a2+c2)-b42a2c,进而得到PA·PB=b4(c2-4a2)4a4为定值
  故过椭圆焦点的动直线l交椭圆于A,B两点,存在定点Pa2(a2+c2)-b42a2c,0,使得PA·PB为定值b4(c2-4a2)4a4.
  评注 这样的探究活动,从特殊到一般,有操作的方法可以遵循.这样的证明过程,从具体到抽象,有明确的目标可以努力.有兴趣的读者还可以去探究双曲线是否也有类似的结论.
  以上几个例子使我们体会到,用好“题设的必要不充分条件”,确实能提高教学的效率.但是诚如车尔尼雪夫斯基所说的:“既然太阳也有黑点,人世间的事情就更不可能没有缺陷”.对于这把“双刃剑”我们要扬长避短.

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