数学开放性问题怎么解

                        陕西永寿县中学    特级教师安振平

      

数学开放性问题是近年来高考命题的一个新方向,其解法灵活且具有一定的探索性,这类题型按解题目标的操作模式分为:规律探索型,问题探究型,数学建模型,操作设计型,情景研究型.如果未知的是解题假设,那么就称为条件开放题;如果未知的是解题目标,那么就称为结论开放题;如果未知的是解题推理,那么就称为策略开放题.当然,作为数学高考题中的开放题其“开放度”是较弱的,如何解答这类问题,还是通过若干范例加以讲解.

 

例 1 设等比数列的公比为  ,前 项和为 ,是否存在常数 ,使数列 也成等比数列?若存在,求出常数;若不存在,请  明 理 由.

   讲解 存在型开放题的求解一般是从假设存在入手, 逐步深化解题进程的.

   设存在常数, 使数列 成等比数列.

          

    

     (i) 当  时, 代入上式得

          即=0

但, 于是不存在常数 ,使成等比数列.

     (ii) 当 时,, 代 入 上 式 得

    .

       综 上 可 知 ,  存 在 常 数 ,使成等比数列.

   等比数列n项求和公式中公比的分类, 极易忘记公比的 情 形, 可 不 要 忽 视 啊 !

例2  某机床厂今年年初用98万元购进一台数控机床,并立即投入生产使用,计划第一年维修、保养费用12万元,从第二年开始,每年所需维修、保养费用比上一年增加4万元,该机床使用后,每年的总收入为50万元,设使用x年后数控机床的盈利额为y万元.

(1)写出y与x之间的函数关系式;

(2)从第几年开始,该机床开始盈利(盈利额为正值);

 (3 ) 使用若干年后,对机床的处理方案有两种:

 (i )当年平均盈利额达到最大值时,以30万元价格处理该机床;

     (ii )当盈利额达到最大值时,以12万元价格处理该机床,问用哪种方案处理较为合算?请说明你的理由.

讲解 本例兼顾应用性和开放性, 是实际工作中经常遇到的问题.

   (1)

            =.                                    

   (2)解不等式  >0,

得       <x<.

∵ x∈N,  ∴ 3 ≤x≤ 17.

故从第3年工厂开始盈利.

(3)(i) ∵ ≤40

当且仅当时,即x=7时,等号成立.

∴ 到2008年,年平均盈利额达到最大值,工厂共获利12×7+30=114万元.

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

当x=10时,ymax=102.

故到2011年,盈利额达到最大值,工厂共获利102+12=114万元.

解答函数型最优化实际应用题,二、三元均值不等式是常用的工具.

(2)  ∵ , ∴=4.

∴{}是公差为4的等差数列.

试题详情

∵a1=1,  ∴=+4(n-1)=4n-3.

∵an>0 , ∴an=.                                        

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

∵≤5 ,

∴m>5,存在最小正数m=6,使得对任意n∈N有bn<成立.

为了求an ,我们先求,这是因为{}是等差数列, 试问: 你能够想到吗? 该题是构造等差数列的一个典范.

例4  已知数列在直线x-y+1=0上.

(1)       求数列{an}的通项公式;

(2)若函数

求函数f(n)的最小值;

   (3)设表示数列{bn}的前n项和.试问:是否存在关于n 的整式g(n), 使得对于一切不小于2的自然数n恒成立?若存在,写出g(n)的解析式,并加以证明;若不存在,说明理由.  

    讲解  从 规 律 中 发 现 ,从 发 现 中 探 索.

   (1)

      

    (2) ,

         ,

     .

    

    (3),

      

      .

      

      

     

     故存在关于n的整式使等式对于一切不小2的自然数n恒成立.

     事实上, 数列{an}是等差数列, 你知道吗?

    例5  深夜,一辆出租车被牵涉进一起交通事故,该市有两家出租车公司――红色出租车公司和蓝色出租车公司,其中蓝色出租车公司和红色出租车公司分别占整个城市出租车的85%和15%。据现场目击证人说,事故现场的出租车是红色,并对证人的辨别能力作了测试,测得他辨认的正确率为80%,于是警察就认定红色出租车具有较大的肇事嫌疑. 请问警察的认定对红色出租车公平吗?试说明理由.

    讲解  设该城市有出租车1000辆,那么依题意可得如下信息:

 

 

证人所说的颜色(正确率80%)

 

蓝色

红色

合计

蓝色(85%)

680

170

850

红色(15%)

30

120

150

合计

710

290

1000

从表中可以看出,当证人说出租车是红色时,且它确实是红色的概率为,而它是蓝色的概率为. 在这种情况下,以证人的证词作为推断的依据对红色出租车显然是不公平的.

本题的情景清新, 涉及到新教材中概率的知识, 上述解法中的列表技术显示了一定的独特性, 在数学的应试复课中似乎是很少见的.

    例6  向明中学的甲、乙两同学利用暑假到某县进行社会实践,对该县的养鸡场连续六年来的规模进行调查研究,得到如下两个不同的信息图:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   (A)图表明:从第1年平均每个养鸡场出产1万只鸡上升到第6年平均每个养鸡场出产2万只鸡;

   (B)图表明:由第1年养鸡场个数30个减少到第6年的10个.

   请你根据提供的信息解答下列问题:

   (1)第二年的养鸡场的个数及全县出产鸡的总只数各是多少?

   (2)哪一年的规模最大?为什么?

   讲解 (1)设第n年的养鸡场的个数为,平均每个养鸡场出产鸡万只,

     由图(B)可知, =30,且点在一直线上,

从而 

     由图(A)可知, 且点在一直线上,

于是  

     =(万只),(万只)

试题详情

     第二年的养鸡场的个数是26个,全县出产鸡的总只数是31.2万只;

     (2)由(万只),

试题详情

     第二年的养鸡规模最大,共养鸡31.2万只.

     有时候我们需要画出图形, 有时候我们却需要从图形中采集必要的信息, 这正反映了一个事物的两个方面. 看来, 读图与识图的能力是需要不断提升的.

例7 已知动圆过定点P(1,0),且与定直线相切,点C在l上.

   (1)求动圆圆心的轨迹M的方程;

   (2)设过点P,且斜率为-的直线与曲线M相交于A,B两点.

   (i)问:△ABC能否为正三角形?若能,求点C的坐标;若不能,说明理由;

   (ii)当△ABC为钝角三角形时,求这种点C的纵坐标的取值范围.

讲解  本例主要考查直线、圆与抛物线的基本概念及位置关系,是解析几何中的存在性问题.

(1)由曲线M是以点P为焦点,直线l为准线的抛物线,知曲线M的方程为.

(2)(i)由题意得,直线AB的方程为 消y得

于是,  A点和B点的坐标分别为A,B(3,),

假设存在点C(-1,y),使△ABC为正三角形,则|BC|=|AB|且|AC|=|AB|,

即有

   

由①-②得

 

因为不符合①,所以由①,②组成的方程组无解.

故知直线l上不存在点C,使得△ABC是正三角形.

(ii)设C(-1,y)使△ABC成钝角三角形,

即当点C的坐标是(-1,)时,三点A,B,C共线,故.

  ,

  ,   

  .

  (i) 当,即,

 即为钝角.

(ii) 当,即,

 即为钝角.

(iii)当,即,

 即.   该不等式无解,所以∠ACB不可能为钝角.

故当△ABC为钝角三角形时,点C的纵坐标y的取值范围是.

需要提及的是, 当△ABC为钝角三角形时, 钝角的位置可能有三个,需要我们进行一一探讨.

例8 已知是定义在R上的不恒为零的函数,且对于任意的a,b∈R都满足关系式  .

   (1)求f(0),f(1)的值;

   (2)判断的奇偶性,并证明你的结论;

   (3)若,求数列{un}的前n项的和Sn.

讲解 本题主要考查函数和数列的基本知识,考查从一般到特殊的取特值求解技巧.

   (1)在中,令得

           .

     在中,令得

        ,有 .

   (2)是奇函数,这需要我们进一步探索. 事实上 

        

       

        

        故为奇函数.

(2)       从规律中进行探究,进而提出猜想.

 由   

       ,

         ………………………………

猜测  .

于是我们很易想到用数学归纳法证明.

     1° 当n=1时,,公式成立;

     2°假设当n=k时,成立,那么当n=k+1时,

,公式仍然成立.

     综上可知,对任意成立.

  从而   .

    

     ,.

     故

      

例9  若、,

(1)求证:;

    (2)令,写出、、、的值,观察并归纳出这个数列的通项公式;

    (3)证明:存在不等于零的常数p,使是等比数列,并求出公比q的值.

讲解  (1)采用反证法. 若,即, 解得

从而与题设,相矛盾,

   故成立.

 (2) 、、、、,

     .

(3)因为 又,

所以,

因为上式是关于变量的恒等式,故可解得、.

    我们证明相等的问题太多了,似乎很少见到证明不相等的问题,是这样吗?

例10 如图,已知圆A、圆B的方程分别是动圆P与圆A、圆B均外切,直线l的方程为:.

(1)求圆P的轨迹方程,并证明:当时,点P到点B的距离与到定直线l距离的比为定值;

(2) 延长PB与点P的轨迹交于另一点Q,求的最小值;

(3)如果存在某一位置,使得PQ的中点R在l上的射影C,满足求a的取值范围.

   讲解(1)设动圆P的半径为r,则|PA|=r+,|PB| = r + ,

试题详情

∴ |PA| -|PB| = 2.

试题详情

∴ 点P的轨迹是以A、B为焦点,焦距为4,实轴长为2的双曲线的右准线的右支,其方程为  (x ≥1).若 , 则l的方程为双曲线的右准线, ∴点P到点B的距离与到l的距离之比为双曲线的离心率e = 2.

(2)若直线PQ的斜率存在,设斜率为k,则直线PQ的方程为y = k ( x-2 )代入双曲线方程, 得

由  , 解得>3. 

∴  |PQ|=. 

当直线的斜率存在时,,得,|PQ|=6.

∴ |PQ|的最小值为6. 

(3)当PQ⊥QC时,P、C、Q构成Rt△.

∴  R到直线l的距离|RC|=  ① 

又 ∵  点P、Q都在双曲线上,

∴  .

∴  ,即  .

∴   ② 

试题详情

将②代入①得 ,|PQ|=2-4a≥6.

故有a≤-1.

“如果存在”并不意味着一定存在, 如何修改本题使其成为不存在的范例呢? 问题的提出既能延伸我们的思绪, 更能完善我们的知识技能, 无形中使解题能力得到逐渐的提升.

 

试题详情


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