分类讨论要诀

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  很多数学问题存在一些不确定的因素,不能用统一的方法去研究、解决,这时,我们就需要将研究的对象或过程进行分类,即将一个母项分成若干子项,然后,对每一类子项分别加以研究,得出相应的结论,最后综合各类的结果得到整个问题的解答,这种解决问题的思想叫做分类讨论.
  引发分类讨论的因素有:(1)有些概念本身就包含多种情况,比如绝对值、直线与平面所成的角、直线的倾斜角等;(2)有些性质、公式在不同条件下有不同的结论,或者定理、公式、法则有范围、条件的限制,如等比数列前n项和公式;指数函数、对数函数的单调性等;(3)含有参数的问题,参数不同范围的取值导致不同的结果;(4)有些问题比较复杂,它包含了多种情况,如题目的条件、结论不确定,图形位置、数量大小不确定等.
  解决分类讨论的一般方法是:(1)确定分类讨论的对象;(2)对所讨论的对象进行合理分类(分类时要做到不漏不重、标准统一、分层不越级);(3)逐类讨论,即对各类问题进行讨论,逐步解决,各个击破;(4)归纳总结,即将各类情况归类、整合,得出综合结论.
  下面我们通过几个典型例题来剖析如何求解分类讨论问题.
  例1已知函数f(x)=(x-a)2ex在x=2时取得极小值.
  (1)求实数a的值;
  (2)是否存在区间[m,n],使得f(x)在该区间上的值域为[e4m,e4n]?若存在,求出m,n的值;若不存在,说明理由.
  解:(1)f′(x)=ex(x-a)(x-a 2),
  由题意知f′(2)=0,解得a=2或a=4.
  当a=2时,f′(x)=exx(x-2),
  易知f(x)在(0,2)上为减函数,在(2, ∞)上为增函数,符合题意;
  当a=4时,f′(x)=ex(x-2)(x-4),
  易知f(x)在(0,2)上为增函数,在(2,4)上为减函数,不符合题意.
  所以,满足条件的a=2.
  (2)因为f(x)≥0,所以m≥0.
  ①若m=0,则n≥2,因为f(0)=4  设g(x)=(x-2)2xex(x≥2),则g′(x)=[x2-4x2 (x-2)2x]ex≥0,
  所以g(x)在[2, ∞)上为增函数.
  由于g(4)=e4,即方程(n-2)2en=e4n有唯一解为n=4.
  ②若m>0,则2[m,n],即n>m>2或0  (Ⅰ)n>m>2时,f(m)=(m-2)2em=e4mf(n)=(n-2)2en=e4n,
  由①可知不存在满足条件的m,n.
  (Ⅱ)0  设h(x)=x(x-2)2ex(0  则h′(x)=(x3-x2-4x 4)ex
  =(x 2)(x-1)(x-2)ex,
  h(x)在(0,1)递增,在(1,2)递减,由h(m)=h(n)得0  此时(m-2)2em<4e  综上所述,满足条件的m,n值只有一组,且m=0,n=4.
  评注:一般地,遇到题目中含有参数的问题,常常结合参数的意义及对结果的影响进行分类讨论,本题如果按参数得变化来分类,情形较为复杂,但是通过函数的值域得到n>m≥0,简化了讨论(分类情形较少).
  例2已知圆M:x2 (y-2)2=1,设点B,C是直线l:x-2y=0上的两点,它们的横坐标分别是t,t 4,点P在线段BC上,过点P作圆M的切线PA,切点为A.经过A,P,M三点的圆的圆心为D,当t变化时,求线段DO长的最小值.
  解:设P(s,s2),t≤s≤t 4,
  ∵AP为切线,则AM⊥AP,
  ∴△AMP为直角三角形,
  ∴过A,P,M三点的圆的圆心D即为斜边PM的中点,
  D(s2,s 44).
  OD=(s2-0)2 (s 44-0)2=5s216 s2 1,
  配方有
  OD=516(s 45)2 45,其中t≤s≤t 4.又BC是直线上变化的线段,点(-45,-25)不一定在线段BC上;而从OD表达式上看,何处取最小值取决于-45与区间[t,t 4]的关系.无论是前者或后者,都有三种情况,故须分类讨论(以下过程略).
  ODmin=516(t 245)2 45,t≤-245,255,-245  评注:由图形的位置、形状变化引发的讨论,常常有下列情形:二次函数对称轴位置的变化;函数问题中区间的变化;函数图象形状的变化;直线由斜率、截距引起的位置变化;圆锥曲线由焦点引起的位置变化或由离心率引起的形状变化等.
  例3若不等式mx2 mx 2>0,对一切实数x恒成立,试确定实数m的取值范围.
  分析:解此题时,要注意m=0,讨论时不能遗漏.
  当m≠0时,知f(x)=mx2 mx 2是关于x的二次函数,要使其值恒大于0,此时,其图象开口向上,且与x轴没有交点,故m>0且Δ<0.
  当m=0时,显然函数不是二次的,需要另行处理.
  解:(1)当m≠0时,mx2 mx 2>0,对于一切x恒成立时有:
  m>0,Δ=m2-8m<0解得m>0Δ=m2-8m<0
  解得:0  (2)当m=0时,原不等式化为2>0,显然成立.
  综合(1)、(2)可得m∈[0,8).
  评注:不等式ax2 bx c>0成立的充要条件为a>0Δ<0或a=b=0c>0.
  讨论时,不要被表达式形式所迷惑,遗漏讨论“假二次”的情况.
  例4函数f(x)=x2-2ax 1在区间[-1,1]上的最小值记为g(a).
  (1)求g(a)的解析式;
  (2)求g(a)的最大值.
  解:(1)f(x)=x2-2ax 1=(x-a)2 1-a2.
  当a≤-1时,函数f(x)在[-1,1]上单调增,g(a)=f(x)min=f(-1)=2 2a;
  当a≥1时,函数f(x)在[-1,1]上单调减,g(a)=f(x)min=f(1)=2-2a;
  当-1  综上g(a)=2-2a,a≥1,1-a2,-1  (2)a≥1时,g(a)=2-2a单调减,g(a)max=g(1)=0;
  -1  a≤-1时,g(a)=2 2a单调增,g(a)max=g(-1)=0.
  综上g(a)的最大值为1.
  在解分类讨论问题时我们要注意以下两点:(1)要合理选取分类标准,厘清主次,准确分类并进行讨论.分类不明确、分类重复或遗漏是常见的错误;(2)还应该注意到,有时通过变换研究问题的角度,可以使分类讨论的过程简化或避免讨论.
  (作者:周小微,江苏省江安高级中学)
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