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多元变量问题的突破口

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在处理多变元变量的数学问题时,在思考方式上,我们可以把两个或多个对象的地位或角色进行转换,将其中的某一变量看作“主元”,而把其它的变元看作常量,从而减少变元,简化运算.利用这种思维策略,对于培养学生良好的思维品质,提高研究问题和解决问题的能力大有裨益.

一、“主元思想”确定恒成立问题中的变量范围

【例1】若x∈(0,13],不等式1+x+(a-a2)x2>0恒成立,求a的范围.

解:将原不等式化为关于a的二次不等式x2a2-x2a-(x+1)<0,即[ax-(x+1)](ax+1)<0.

∵x∈(0,13]

∴不等式的解为{a|-1x<a<1+1x,且1x≥3}.

∴(-1x)max<a<(1+1x)min∴-3<a<4即a的范围为(-3,4).

注:将不等式中的参数与变量地位对换,反客为主,由于思考的主要对象或方向发生了变化,通过解不等式,找到解题突破口,实现难题巧解,繁题简解.

【例2】设p=(log2x)2+(t-2)log2x+1-t,当t∈[-2,2]时恒有p>0,求x的范围.

解:将p看成是关于t的一次函数,p=f(t)=(log2x-1)t+log22x-2log2x+1.

∵t∈[-2,2]时p>0恒成立,一次函数为单调函数

∴f(-2)>0

f(2)>0

∴(-2)log2x+log22x-2log2x+1>0

2(log2x-1)+log22x-2log2x+1>0

解得x>8或0<x<1.

注:换位思考后,将二元变为一元,避免了参数与对称轴相对位置的讨论.

二、主元思想证不等式

【例3】已知|a|<1,|b|<1,|c|<1,求证:abc+2>a+b+c.

析:本题用常规方法较难,若利用主元思想,将问题转化为函数,利用函数性质求解,使问题迎刃而解.

解:将a、b、c中的a看成“主元”,将bc看成常数,构造一次函数.

设f(x)=(bc-1)x-b-c+2,

∴f(-1)=-(bc-1)-b-c+2=4-(b+1)(c+1).

∵|b|<1,|c|<1,∴0<b+1<2,0<c+1<2.

∴0<(b+1)(c+1)<4,∴f(-1)>0.

又f(1)=(bc-1)-b-c+2=(b-1)(c-1)>0,

∴f(x)在(-1,1)上恒大于0.

∵|a|<1,∴f(a)>0.

∴(bc-1)a-b-c+2>0,即abc+2>a+b+c.

【例4】若0<a<1b,求证:b-b2<1a+1.

法1:将a视为“主元”,构造一次函数.

证明:由条件0<a<1b即a∈(0,1b),

若将a视为未知数,用x代替,即证.
x∈(0,1b)时,(b-b2)<1x+1,即(b-b2)(x+1)-1<0.

设f(x)=(b-b2)x+(b-b2)-1即证x∈(0,1b)时,f(x)<0.而f(x)为x的一次函数,且f(0)=b-b2-1=-(b2-b+1)<0,f(1b)=b2<0.

∴当x∈(0,1b),f(x)<0成立.∴原不等式成立.

法2:若将b看作“主元”构造二次函数

证明:由0<a<1b,得0<b<1a.

将b看作未知数,通过二次函数的性质来完成.

设g(x)=x2-x+1a+1(0<x<1a),对称轴为x=12.

(1)当1a≤12即a≥2时,g(x)在(0,1a)上是减函数,

∴x∈(0,1a)时,g(x)>g(1a)=1a2-1a+1a+1=1a2(a+1)>0.

(2)当1a>12时,x∈(0,1a)时,g(x)≥g(12)=1a+1-14>0.

综合(1)(2)知:x∈(0,1a)时,x2-x+1a+1>0恒成立,即x-x2<1a+1.∴原不等式成立.

三、“主元思想”求解最值

【例5】已知F(a,θ)=a2+2asinθ+2a2+2acosθ+2(a,θ∈R,a≠0),那么对于任意的a,θ,F(a,θ)的取值范围为.

解:设a为主元,令a2+2asinθ+2a2+2acosθ+2=y,

∴(y-1)a2+a(2ycosθ-2sinθ)+2y-2=0

∵Δ≥0,即(ycosθ-sinθ)2≥2(y-1)2

∴(y2+1)cos2(θ+φ)≥2(y-1)2

∴2(y-1)2y2+1≤cos2(θ+φ)≤1.

∴2-3≤y≤2+3.

【例6】设实数x、y>0,且x、y满足xy=x-y,则x的最小值为.

解:视y为主元,将上式变为y2-xy+x=0.

∵方程有根,∴Δ≥0,即x2-4x≥0.

∴x≥4或x≤0(舍去).

∴x的最小值为4.

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