进退中体会数学运算和数学策略
前言
总结和提炼数学运算中的技巧和策略,有助于提升我们对数学本质的理解,也有助于增强我们数学应用意识的主动性。
运算策略
法1:基向量法,
\(|\vec{a}+2\vec{b}|^2=\vec{a}^2+4\vec{b}^2+2\times 2\times \vec{a}\cdot \vec{b}\);
\(=|\vec{a}|^2+4|\vec{b}|^2+4|\vec{a}|\cdot |\vec{b}|\cdot cos60^{\circ}\);
\(=1+16+4\times 1\times 2\times cos60^{\circ}=21\),
故\(|\vec{a}+2\vec{b}|=\sqrt{21}\)。
法2:建立坐标系,利用向量坐标法构造向量三角形法,

建立如图所示的坐标系,则可知\(\vec{a}=(1,0)\),\(\vec{b}=(1,\sqrt{3})\),
则\(\vec{a}+2\vec{b}=(1,0)+2(1,\sqrt{3})=(3,2\sqrt{3})\),
故\(|\vec{a}+2\vec{b}|=\sqrt{3^2+(2\sqrt{3})^2}=\sqrt{21}\)。
法3:构造向量三角形法,利用余弦定理求解。

由图可知,\(\overrightarrow{OA}=\vec{a}\),\(\overrightarrow{OD}=2\vec{b}\),做向量三角形\(\triangle OAB\),
则在\(\triangle OAB\)中,\(|OA|=|\vec{a}|=1\),\(|AB|=|2\vec{b}|=4\),\(|OB|=|\vec{a}+2\vec{b}|\),\(\angle OAB=120^{\circ}\),
由余弦定理可知,\(|OB|^2=1^2+4^2-2\times 1\times 4\times cos120^{\circ}=21\),
故\(|\vec{a}+2\vec{b}|=|OB|=\sqrt{21}\)。

分析:由于\(|\overrightarrow{AC'}|=|\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{BC}+\overrightarrow{CC'}|\),
则\(|\overrightarrow{AC'}|^2=|\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{BC}+\overrightarrow{CC'}|^2\)
\(=|\overrightarrow{AB}|^2+|\overrightarrow{BC}|^2+|\overrightarrow{CC'}|^2+2\overrightarrow{AB}\cdot \overrightarrow{BC}+2\overrightarrow{BC}\cdot\overrightarrow{CC'}+2\overrightarrow{AB}\cdot \overrightarrow{CC'}\),
\(=3^2+4^2+5^2+2\times3\times4\times(\cfrac{1}{2})+2\times4\times5\times(\cfrac{1}{2})+2\times3\times5\times(\cfrac{1}{2})=97\)
\(|\overrightarrow{AC'}|=\sqrt{97}\);
求\(x^{\frac{1}{2}}+x^{-\frac{1}{2}}=\sqrt{(x^{\frac{1}{2}}+x^{-\frac{1}{2}})^2}=\sqrt{5}\)
分析:和式用减,
当\(n \ge 1\)时,\(2^1a_1+2^2a_2+2^3a_3+\dots+2^na_n = n ①\),
当\(n \ge 2\)时,\(2^1a_1+2^2a_2+2^3a_3+\dots+2^{n-1}a_{n-1} = n-1②\),两式相减得到
当\(n \ge 2\)时,\(2^na_n=1\),即就是\(a_n=\cfrac{1}{2^n}=(\cfrac{1}{2})^n\),
再验证,当\(n=1\)时,由已知式子可知\(a_1=\cfrac{1}{2}\),满足上式,
故数列\(\{a_n\}\)的通项公式为\(a_n=(\cfrac{1}{2})^n\) .
分析:积式用商
当\(n \ge 1\)时,\(b_1\cdot b_2 \cdot b_3 \cdots b_n= 2^{S_n} ①\),
当\(n \ge 2\)时,\(b_1\cdot b_2 \cdot b_3 \cdots b_{n-1}= 2^{S_{n-1}}②\),两式相除得到
当\(n \ge 2\)时,\(b_n=2^{S_n-S_{n-1}}=2^{a_n}\),即\(b_n=2^{a_n}=2^n\),
再验证,当\(n=1\)时,由已知式子可知\(b_1=2^{S_1}=2^{a_1}=2\),满足上式,故数列\(\{b_n\}\)的通项公式为\(b_n=2^n\).
解析: 由 \(T_nT_{n-1}+2T_n=2T_{n-1}\),(\(n\in N^*\),\(n\geqslant 2\)),两边同除以 \(2T_nT_{n-1}\),
得到 \(\cfrac{1}{T_n}-\cfrac{1}{T_{n-1}}=\cfrac{1}{2}\),又 \(\cfrac{1}{T_1}=\cfrac{3}{2}\),
故数列 \(\{\cfrac{1}{T_n}\}\) 是首项为 \(\cfrac{3}{2}\),公差为 \(\cfrac{1}{2}\) 的等差数列,
则 \(\cfrac{1}{T_n}=\cfrac{3}{2}+(n-1)\times \cfrac{1}{2}=\cfrac{n+2}{2}\),则 \(T_n=\cfrac{2}{n+2}\),
当 \(n\geqslant 2\) 时, \(a_n=\cfrac{T_n}{T_{n-1}}=\cfrac{\cfrac{2}{n+2}}{\cfrac{2}{n+1}}=\cfrac{n+1}{n+2}\),当 \(n=1\) 时也成立,
故 \(a_n=\cfrac{n+1}{n+2}\) .
解析:由于 \(a_n>0\),故 \(S_n>0\) 且 \(S_{n-1}>0\) ,又由于\(a_n=S_n-S_{n-1}\) ,
则 \(a_n=(\sqrt{S_n})^2-(\sqrt{S_{n-1}})^2=(\sqrt{S_n}+\sqrt{S_{n-1}})(\sqrt{S_n}-\sqrt{S_{n-1}})\)
由题目可知,\(a_n=\sqrt{S_n}-\sqrt{S_{n-1}}\),则有\((\sqrt{S_n}+\sqrt{S_{n-1}})(\sqrt{S_n}-\sqrt{S_{n-1}})=\sqrt{S_n}+\sqrt{S_{n-1}}\)
由于 \(\sqrt{S_n}+\sqrt{S_{n-1}}>0\) ,约分得到 \(\sqrt{S_n}-\sqrt{S_{n-1}}=1\),
则数列 \(\{\sqrt{S_n}\}\) 是首项为 \(\sqrt{S_1}=\sqrt{a_1}=1\) ,公差为 \(1\) 的等差数列,
则 \(\sqrt{S_n}=1+(n-1)\cdot 1=n\) ,故 \(S_n=n^2\),
当 \(n\geqslant2\) 时,\(a_n=S_n-S_{n-1}=n^2-(n-1)^2=2n-1\),
又由于 \(a_1=1\) 满足上式,故 \(a_n=2n-1\),\(n\in N^*\) ,
则 \(\cfrac{1}{a_{n}\cdot a_{n+1}}=\cfrac{1}{(2n-1)(2n+1)}=\cfrac{1}{2}(\cfrac{1}{2n-1}-\cfrac{1}{2n+1})\)
令所求数列的前 \(n\) 项和 \(T_{n}\) ,
则 \(T_{15}=\cfrac{1}{2}[(1-\cfrac{1}{3})+(\cfrac{1}{3}-\cfrac{1}{5})+\cdots+(\cfrac{1}{29}-\cfrac{1}{31})]\)
\(=\cfrac{1}{2}(1-\cfrac{1}{31})=\cfrac{15}{31}\).
\(log_2^\;{(\sqrt{2+\sqrt{3}}-\sqrt{2-\sqrt{3}})}\)
\(=\cfrac{1}{2}\cdot 2 log_2^\;{(\sqrt{2+\sqrt{3}}-\sqrt{2-\sqrt{3}})}\)
\(=\cfrac{1}{2}log_2^\;{(\sqrt{2+\sqrt{3}}-\sqrt{2-\sqrt{3}})^2}\)
\(=\cfrac{1}{2}\)
分析:设\(5^{lg30}\cdot (\cfrac{1}{3})^{lg0.5}=x\),两边同时取对数,
得到\(lgx=lg[5^{lg30}\cdot (\cfrac{1}{3})^{lg0.5}]\),
即\(lgx=lg30\cdot lg5+lg0.5\cdot lg\cfrac{1}{3}\)
即\(lgx =(lg3+1)\cdot lg5+(-lg2)\cdot (-lg3)\)
即\(lgx=lg3\cdot lg5+lg5+lg2\cdot lg3\)
即\(lgx=lg3(lg2+lg5)+lg5\)
即\(lgx=lg3+lg5=lg15\),
即\(x=15\);
【同思路】求\(a^{lnb}\)的最值,令\(a^{lnb}=t\),则\(lnt=lnb\cdot lna\);
解析:由题意知 \(b=\cfrac{e^{2}}{a}\), 则 \(a^{\ln b}=a^{\ln\frac{e^{2}}{a}}=a^{(2-\ln a)}\),
令 \(t=a^{(2-\ln a)}(t>0)\),则\(\ln t\)\(=\ln a^{(2-\ln a)}=(2-\ln a)\ln a\)
\(=-(\ln a)^{2}+2\ln a=-(\ln a-1)^{2}+1 \leqslant 1\)
当\(\ln a=1\)时,等号成立;即\(\ln t\)的最大值为\(1\),即\(t\)的最大值为\(e\),则\(a^{\ln b}\) 的最大值为\(e\);
分析:\(|cos\alpha-sin\alpha|=\sqrt{(cos\alpha-sin\alpha)^2}=\sqrt{1-sin2\alpha}=\sqrt{1-(-\cfrac{24}{25})}=\cfrac{7}{5}\),
又由于\(\alpha\)为第二象限角可知,\(cos\alpha<0,sin\alpha>0\),故\(cos\alpha-sin\alpha=-\cfrac{7}{5}\)。
分析:设向量\(|\overrightarrow{AB}|=x\),则\(|\overrightarrow{OB}|=\sqrt{x^2+9}\),
再设\(< \overrightarrow{OA} ,\overrightarrow{OB}>=\theta\),
则\(\overrightarrow{OA}\cdot \overrightarrow{OB}=|\overrightarrow{OA}||\overrightarrow{OB}|cos\theta=3\times\sqrt{x^2+9}\times\cfrac{3}{\sqrt{x^2+9}}=9\)
分析:先平方,再开方。\(P^2=6+7+2\sqrt{42}\);\(Q^2=5+8+2\sqrt{40}\);
由于\(P^2>Q^2\),\(P>0\),\(Q>0\),故\(P>Q\)
分析:\(a^2=1+sin2\alpha\), \(b^2=1+sin2\beta\),
由于 \(0<\alpha<\beta<\cfrac{\pi}{4}\),则有 \(0<2\alpha<2\beta<\cfrac{\pi}{2}\),则\(sin2\alpha<sin2\beta\),
故\(a^2-1<b^2-1\),\(a>0,b>0\),则\(a<b\),选A.
分析:原式=\(\cfrac{1}{2}\cdot \cfrac{2sin20^{\circ}\cdot cos20^{\circ}\cdot cos40^{\circ}\cdot cos80^{\circ}}{2sin20^{\circ}}\)
\(=\cfrac{1}{2}\cdot \cfrac{sin40^{\circ}\cdot cos40^{\circ}\cdot cos80^{\circ}}{2sin20^{\circ}}\)
\(=\cfrac{1}{2}\cdot \cfrac{2\cdot sin40^{\circ}\cdot cos40^{\circ}\cdot cos80^{\circ}}{2\cdot 2sin20^{\circ}}\)
\(=\cfrac{1}{2}\cdot \cfrac{sin80^{\circ}\cdot cos80^{\circ}}{4sin20^{\circ}}\)
\(=\cfrac{1}{2}\cdot \cfrac{sin160^{\circ}}{8sin20^{\circ}}\)
\(=\cfrac{1}{2}\cdot \cfrac{1}{8}= \cfrac{1}{16}\)。
解析: 因为 \(a_{1}\)\(=\)\(a_{2}\)\(=\)\(1\) ,所以
\(1\)\(+\)\(a_{3}\)\(+\)\(a_{5}\)\(+\)\(a_{7}\)\(+\)\(a_{9}\)\(+\)\(\cdots\)\(+\)\(a_{2021}\)
\(=\)\(a_{2}\)\(+\)\(a_{3}\)\(+\)\(a_{5}\)\(+\)\(a_{7}\)\(+\)\(a_{9}\)\(+\)\(\cdots\)\(+\)\(a_{2021}\)
\(=\)\(a_{4}\)\(+\)\(a_{5}\)\(+\)\(a_{7}\)\(+\)\(a_{9}\)\(+\)\(\cdots\)\(+\)\(a_{2021}\)
\(=\)\(a_{6}\)\(+\)\(a_{7}\)\(+\)\(a_{9}\)\(+\)\(\cdots\)\(+\)\(a_{2021}\)
\(=\)\(\cdots\)\(+\)\(a_{2019}\)\(+\)\(a_{2021}\)
\(=\)\(a_{2020}\)\(+\)\(a_{2021}\)\(=\)\(a_{2022}\) ,故选 \(C\) .
法1:用替换解析,由于\(f(x+1)\)是用\(x-1\)替换\(x\),才能得到函数\(f(x)\),
而\(x-1\)意味着向右平移一个单位,故函数\(f(x)\)恒过点\((4,2)\);
法2:由\(f(x)\)的图像得到\(f(x+1)\)的图像,是向左一个单位得到的,此时过点\((3,2)\)
故函数函数\(f(x)\)恒过点\((4,2)\);
分析:令\(g(x)=(x+1)(x+2)\cdots (x+2018)\),则\(f(x)=x\cdot g(x)\),
则\(f'(x)=g(x)+x\cdot g'(x)\),故\(f'(0)=g(0)+0\cdot g'(0)=1\times 2\times 3\times \cdots \times 2018\);
分析:令\((2x-3)^5=a_0+a_1x+a_2x^2+a_3x^3+a_4x^4+a_5x^5\),
对等式两边同时求导得到,
\([(2x-3)^5]'=(a_0+a_1x+a_2x^2+a_3x^3+a_4x^4+a_5x^5)'\),
即\(5\cdot (2x-3)^4\cdot 2=a_1+2a_2+3a_3x^2+4a_4x^3+5a_5x^4\),
即\(10\cdot (2x-3)^4=a_1+2a_2+3a_3x^2+4a_4x^3+5a_5x^4\),
令\(x=1\),得到\(a_1+2a_2+3a_3+4a_4+5a_5=10(2\times1-3)^4=10\)。
(2)记\(R_n=(a_1+\cfrac{1}{2})\times (a_2+\cfrac{1}{2})\times \cdots\times (a_n+\cfrac{1}{2})\),求\(R_n\);
【法1】:利用通项公式,由(1)可知,数列\(\{lg(a_n+\cfrac{1}{2})\}\)为首项为\(lg2\),公比为2的等比数列;
\(lg(a_n+\cfrac{1}{2})=lg2\cdot 2^{n-1}=2^{n-1}\cdot lg2=lg2^{2^{n-1}}\),故\(a_n+\cfrac{1}{2}=2^{2^{n-1}}\);
则\(R_n=(a_1+\cfrac{1}{2})\times (a_2+\cfrac{1}{2})\times \cdots\times (a_n+\cfrac{1}{2})\)
\(=2^{2^{1-1}}\times 2^{2^{2-1}}\times 2^{2^{3-1}}\times\cdots \times 2^{2^{n-1}}=2^{2^0+2^1+\cdots+2^{n-1}}\)
\(=2^{\frac{1\cdot (2^n-1)}{2-1}}=2^{2^n-1}\);
注意:运算中的易错处,\(lg2\cdot 2^{n-1}\neq lg(2\cdot 2^{n-1})\),即\(lg2\cdot 2^{n-1}\neq lg2^{n}\),
【法2】:由于数列\(\{lg(a_n+\cfrac{1}{2})\}\)为首项为\(lg2\),公比为2的等比数列;
\(R_n=(a_1+\cfrac{1}{2})\times (a_2+\cfrac{1}{2})\times \cdots\times (a_n+\cfrac{1}{2})\),
给等式两边同时取对数得到,\(lgR_n=lg[ (a_1+\cfrac{1}{2})\times (a_2+\cfrac{1}{2})\times \cdots\times (a_n+\cfrac{1}{2})]\)
\(=lg(a_1+\cfrac{1}{2})+lg(a_2+\cfrac{1}{2})+lg(a_3+\cfrac{1}{2})+\cdots+lg(a_n+\cfrac{1}{2})\)
\(=\cfrac{lg2(2^n-1)}{2-1}=(2^n-1)lg2=lg2^{2^n-1}\),
由于\(lgR_n=lg2^{2^n-1}\),则有\(R_n=2^{2^n-1}\)
注意:由于对数运算能将运算降级处理,即原来是乘法运算降级为加法运算,故法2明显要优于法1,在这里我们需要培养主动使用对数运算的数学意识。
思维训练
\(h(x)=\cfrac{x^2-4x+5}{x-2}=\cfrac{(x-2)^2+1}{x-2}=(x-2)+\cfrac{1}{x-2}\),
从右边向左边通分整理,再从左边向右边展开一遍;
由\(a_{n+2}-2a_{n+1}+a_n=2\),变形得到\((a_{n+2}-a_{n+1})-(a_{n+1}-a_n)=2\),
从左向右如果想不到,那就双向多走几遍。
分析:设长方体的长宽高分别为\(x\),\(y\),\(z\),则由题可知有\(\left\{\begin{array}{l}{xy=8①}\\{yz=12②}\\{xz=24③}\end{array}\right.\),三式相乘得到\(x^2y^2z^2=48^2④\),
用④式分别除以①②③式,得到\(x=4\),\(y=2\),\(z=6\),要想削成一个正四面体,
需要先取其最小棱的长度作为基础,首先得到棱长为\(2\)的正方体,然后由正方体切削成正四面体,
此时正四面体的棱长为该正方体的面对角线,故正四面体的棱长的最大值为\(2\sqrt{2}\)。

思路一:我们一般是转化为等比数列求解,这是常规的思路,也是很费时间的思路。
思路二:我们以退为进,由于每天的荷叶生长速度每天是前一天的一倍,第\(20\)天时,荷叶刚好盖满池塘,那么第\(20-1=19\)天时,必然刚好盖住池塘的一半。
【同类型】三角形数阵的下一行的第一个,与上一行的最后一个。
解析:当我们计算得到上面的两个值后,接下来的难点如何对 \(2\sqrt{0.0076}\) 进行开方运算,以便于大小比较,但是尝试后会发现,要想开方很困难,此时不妨换个角度,既然开方开不出来,我们为什么不把\(2\)放进去,得到 \(\sqrt{0.0304}\) ,这样只需要将 \(0.3\) 改写为 \(\sqrt{0.3^2}=\sqrt{0.09}\) ,这样 \(\sqrt{0.0304}\) 和 \(\sqrt{0.09}\) 就可以比较大小了。
即 \(\bar{y}-\bar{x}>2\sqrt{\cfrac{s_1^2+s_2^2}{2}}\) ;


在进退中体会数学运算和数学策略
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