高中数学之纲:如何列方程?

方程与函数的思想,被认为是高中数学中最重要,用得最多的思想。

用方程解决问题,第一步当然是要列出方程。列方程的关键在于:要找到这样一个中介量,它能够把两个不同的对象联系起来;或者找到一个守恒量,它的值在一个变化过程中保持不变。

我们可以打个比方:方程就好比是一座拱桥。建造拱桥的关键是中央的拱心石;建立方程的关键则是找到这个中介量(或者不变量)。

如何寻找拱心石(中介量)?我们下面用一个高考真题来示范一下。


2015年理科数学全国卷二题17(本题满分12分)

\triangle A B C 中,DBC上的点,AD 平分\angle BAC\triangle ABD面积是\triangle ADC 面积的 2 倍.

(I)求: \displaystyle \frac{\sin \angle B}{\sin \angle C}

(II)AD=1, DC=\dfrac {\sqrt{2}} {2} , 求 BDAC 的长.


【分析】

下面我们用“自问自答”的方式来展示分析过程。


\boxed{\mathbb{Q}} 图中有哪几个三角形?
\boxed{\mathbf{A}} 本题图中有3个三角形:\triangle ABC, \triangle ABD, \triangle ADC.


\boxed{\mathbb{Q}} 这几个三角形间存在什么联系?
\boxed{\mathbf{A}} 这里的3个三角形存在多方面的联系。

1)这3个三角形是共高的三角形。作 AG\perp BCG 为垂足,则:S_{\triangle ABC}=\dfrac{1}{2}AG \cdot BCS_{\triangle ABD}=\dfrac{1}{2}AG \cdot BD; S_{\triangle ADC}=\dfrac{1}{2}AG \cdot DC;所以,这3个三角形的面积比可以化为边长之比:S_{\triangle ABC}:S_{\triangle ABD}:S_{\triangle ADC}=BC:BD:DC

2)两个小三角形的面积之和等于大三角形面积:S_{\triangle ABC}=S_{\triangle ABD}+S_{\triangle ADC}

3)\triangle ABD\triangle ADC 的联系:AD 是两个三角形的公共边 ;两个三角形的顶角相等:\angle BAD = \angle CAD; 两个角互补:\angle ADB + \angle ADC = 180°

4)\triangle ABD\triangle ABC 的联系:\angle A 是它们的公共角,AB 是公共边;

5)\triangle ADC\triangle ABC 的联系:\angle C 是公共角, AC 是 公共边;


【第Ⅰ问解法一】

因为 AD 平分\angle BAC,所以 \sin \angle BAD = \sin \angle CAD

\because S_{\triangle ABD}=2 S_{\triangle ACD}

\therefore AB \cdot AD \sin \cdot \angle BAD = 2 AC \cdot AD \cdot \sin \angle CAD

\therefore AB = 2 AC

根据正弦定理可得: \dfrac{\sin \angle B}{\sin \angle C} = \dfrac{AC}{AB}=\dfrac{1}{2}.


【第Ⅰ问解法二】

根据角平分线的性质可知:\dfrac{AC}{AB}=\dfrac{DC}{BD}

又因为\triangle ABD\triangle ADC 是共高的三角形,S_{\triangle ADC}=\dfrac{1}{2}AG \cdot DC; S_{\triangle ABD}=\dfrac{1}{2}AG \cdot BD

\therefore \dfrac{DC}{BD}= \dfrac{ S_{\triangle ADC} } {S_{\triangle ABD}} = \dfrac{1}{2}

\therefore \dfrac{AC}{AB}=\dfrac{1}{2}

根据正弦定理可得: \dfrac{\sin B}{\sin C}= \dfrac{1}{2}


【解第Ⅱ问】

在前面的分析中,我们已经得出结论:\dfrac{AC}{AB}=\dfrac{DC}{BD}=\dfrac{1}{2}

DC=\dfrac{\sqrt{2}}{2} \Rightarrow BD=2\,DC = \sqrt{2}

这个题的关键在于 AC. 经过前面的分析,我们实际上有多条思路可供选择。

以下介绍主要的几条思路,共同的出发点是:设 AC=t.

\dfrac{AC}{AB}=\dfrac{1}{2} \Rightarrow AB=2t.


『思路一』 以互补的两个角为拱心石(中介量)。

\because \angle ADB + \angle ADC = 180°

\therefore \cos \angle ADB + \cos \angle ADC = 0

依据余弦定理可得方程:

\dfrac{1+2-4t^2}{2\sqrt{2}}+\dfrac{1+\dfrac{1}{2} -t^2}{\sqrt{2}}=0

3-4t^2+3-2t^2=0

\because t \gt 0, \therefore t=1.

『思路二』 把 \angle BAD\angle CAD 作为拱心石.

因为 AD 平分\angle BAC,所以 \cos \angle BAD = \cos \angle CAD

依据余弦定理可得方程:

\dfrac{4t^2+1 - 2}{2 \cdot 2t}=\dfrac{t^2+1-\dfrac{1}{2}}{2 \cdot t}

由以上方程可得:t=1.

『思路三』 把 \triangle ABD\triangle ABC 的公共角 \angle B 作为拱心石.

依据余弦定理可得方程:

\cos B =\dfrac{4t^2+(\dfrac{3\sqrt{2}}{2})^2-t^2}{2 \cdot 2t \cdot \dfrac{3\sqrt{2}}{2}}=\dfrac{4t^2+2-1}{2 \cdot 2t \cdot \sqrt{2}}

『思路四』 把 \triangle ADC\triangle ABC 的公共角 \angle C 作为拱心石.
依据余弦定理可得方程:

\cos C =\dfrac{4t^2+(\dfrac{3\sqrt{2}}{2})^2-t^2}{2 \cdot \dfrac{3\sqrt{2}}{2} \cdot t}=\dfrac{t^2+\dfrac{1}{2}-1}{2\cdot \dfrac{\sqrt{2}}{2}\cdot t}


【提炼与提高】

方程是一个很大的话题。为了列出方程,需要对问题进行具体分析。本题演示了一种分析问题的技巧:自问自答。

我们以一个具体的问题开局:图中有哪几个三角形(或者其他对象)?

这个问题很具体也很简单,而且经常是有效的。当然,也可以提出其他的问题。读者可以在解题过程中自己总结。


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