两道最值题

题一

见图1。

图1

三种原创方法,如图2和图3。

图2


图3

方法一的三角换元是通法,从 cos2\theta 变到sin 2(\theta +\frac{\pi }{4} )  需要有点洞察力,看透cos2\theta和\theta +\frac{\pi }{4} 的关系。如有趋同的意识也能产生试着把cos2\theta 变形出\theta +\frac{\pi }{4} 的念头。后面就是数形结合,从一元二次函数图像得出导数的变化趋势,我们是从\beta 到cos\beta ,再从cos\beta 到导数f^, (\beta ) 来间接得到导数随\beta 的变化关系的。这类似分步法,两阶段法。有时步子过大容易扯伤,一步直接到位不行不容易就分为两步或更多步,例如流程设计中设计多个环节,计数中乘法原理的多步。

方法二是运用合情设想合情想象得到的。首先,考虑到2x^2+x+y自己孤身变形难以产生便于解题的结构形式,俗话说孤阴不生。所以把它和已知条件x^2 +y^2结合,也就是发生关系,期望能产生便于解题的结构形式。合情设想结合方式为相减算子,待定系数\lambda 起到调节作用。 合情设想想象这样结合组合后,能出现“-平方-平方+常数”的模式。再根据取等条件求出\lambda ,这也验证了该设想可行。

方法3,用均值不等式放缩,与方法2本质上是一样的,但显得简洁。

题二

已知a、b为正数,且3a-5b=4a^2 b^2 。求\frac{1}{a} +\frac{1}{b} 的最小值。


原创方法如下图4.

图4

这个方法是如何想出来的?

1)见微知著的思想,看到3a-5b,这是二元一次,从蛛丝马迹中见微知著,完形补美想到剩余的对应的另一个二元一次方程式,而\frac{1}{a} +\frac{1}{b} 变形为\frac{a+b}{ab} 后,分子中的a+b不正是可以作为另一个二元一次式?a+b一次项的出现,它与3a-5b一次项对应;而分母中ab的出现,它与3a-5b左边的4a^2 b^2对应,且都能最终归一到基本元素ab。这些出现也是预兆(吉兆)与信号,增加了这个见微知著念头可行的权重。把这两个二元一次联系联结组合起来,两个联立就是一个完整的二元一次方程组,这个完整的二元一次方程组就是见微知著的”著”,就是小中见大的"大"。有时候,当见微知著联想到的某些事物在问题中不存在时,我们还要主动把它创造出来,没有条件就要主动创造条件。不存在的隐藏的事物&关系&规律&结构是"无",从各种见微知著的联想类比等手段入手,顺藤摸瓜按需创造出还不存在的这些东西,化隐为显,拨云见日,这也属于”有中生无”。

2)”看成”的能力与眼光以及模式识别的思想,在这道题中观察题目,把3a-4b=4a^2 b^2的左边看成为&识别为二元一次方程式的一部分,右边看成常数。

      这样的模式识别,也体现本人先前讲过的避重就轻、删繁就简、软件设计中的高内聚低耦合思想&从耦合最小的地方解耦分离的思想。对3a-4b=4a^2 b^2如果看成关于a或b的一元二次方程或ab的4次,显然会导致问题变繁,变复杂化,也把一次和高次耦合在一起,增大了耦合度,对这道题导致问题变复杂。而切换思维视角与眼光,把3a-4b=4a^2 b^2的左边看成二元一次,右边看成常数,看成和a、b无关的事物,例如看成3a-4b=m,这相当于把一次式和右边的四次进行了解耦分离,分离后,a的一次只与b的一次同类高内聚在一起,而一次和高次(四次)进行了分离解耦,这种分离,耦合度最低,这样的分离遵循庖丁解牛之道,从耦合最小最薄弱的地方进行解耦分离。a+b=tab类似

3)辩证转化和面向对象思想,代数式和等式的辩证转化。根据计算机软件设计中的面向对象思想,把\frac{1}{a} +\frac{1}{b} 看成一个对象,最小值是这个对象的一个属性。且根据面向对象的封装手法,要有一个标识&对象类来从整体上指代\frac{1}{a} +\frac{1}{b} ,也就是令或设\frac{1}{a} +\frac{1}{b} =t,用t这个对象实例来指代它。这样封装之后,也将代数式\frac{1}{a} +\frac{1}{b} 转化为等式\frac{1}{a} +\frac{1}{b} =t,这也增加了条件,变形后增加了一个方程式:a+b=tab

软件设计中的面向对象思想和整体思想是一脉相通的,且面向对象思想可以涵盖整体思想,它比整体思想的含义更丰富。可见,融汇借鉴迁移软件设计中的一些思想方法,可以使我们的数学思维方法论更通透更系统,可以更自然地自觉地产生靠谱的解题念头。这也是本人一直强调的,通透系统的数学思维方法论一定是众多学科融合的,且不能只限于哲学、心理学、思维学等少数学科的融汇。道在日用,思维之道思维智慧也在日用,只是吃瓜群众日用而不知,这就是需要有人来捅破这层窗户纸,需要真正到位的思维熏陶锻炼。

4) 解方程求出a与b后,两式相乘得到关于ab(整体)与t的等式,这是观察a、b之后作出的直觉行为,当然要有组合思想、组合变化&变换的意识、关系思想(相乘就是创建了新的关系新的结构)作为支撑。

5)辩证法的变化观和联系观。从面的内容可以看出,解题思维过程中,思维就是在不断地运动变化,在不断地寻求联系(关系),创造关系。万化由心,(心意识)思维(内容)在变化,对应地,解题操作和纸面上的东西也在变化。

熏陶锻炼数学思维能力不是空话,在这道题的解题实战思维过程中,如果点拨引导到位,就能让学生们体验到上述1)到5)中提及的多种数学思维方法、思想方法、策略与原则,这不就是在真正熏陶锻炼学生们的数学思维能力?这不正是在传授思维智慧思维之道?

我们几十年来的教育一直是灌输知识,以学科知识为中心,不以学科思维为中心或喊着锻炼学科思维的口号,实际上却是及其不到位的学科思维锻炼熏陶,特别是数学教育,这样的教育是有”毒”的,是饮鸩止渴,事倍功半,只能靠题海战术和大量培训折腾学生,短期内暂时可以解决升学考试和竞赛,长远看来却是贻害无穷,只不过被忽悠的众多吃瓜家长和学生不知道这些真相,没人讲出学科教育特别是数学教育的皇帝新装。

      道悦(王国波)  2022.9.4于广州

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