高三数学奥赛的技巧(中篇)(通用)

奥林匹克数学的技巧(中篇) 2-7-8 配对 配对的形式是多样的,有数字的凑整配对或共轭配对,有解析式的对称配对对或整体配对,有子集与其补集的配对,也有集合间象与原象的配对。凡此种种,都体现了数学和谐美的追求与力量,小高斯求和(1299100)首创了配对,也用到了配对。

例2-143 求之值。

解 作配对处理 例2-144 求和 解一 由把倒排,有 相加 得 解二 设集合,注意到 有 为了求得把每一,让它与补集配对,共有对,且每对中均有 于是 这两种解法形式上虽有不同,但本质上是完全一样的,还有一个解法见例2-149。

例2-145 设是给定的实数,证明存在实数使得 这里的表示y的小数部分。

证明 有 知 下面利用这一配对式的结论。设 据抽屉原理①知,必存在,使 取,由上式得 2-7-9 特殊化 特殊化体现了以退求进的思想从一般退到特殊,从复杂退到简单,从抽象退到具体,从整体退到部分,从较强的结论退到较弱的结论,从高维退到低维,退到保持特征的最简单情况、退到最小独立完全系的情况,先解决特殊性,再归纳、联想、发现一般性。华罗庚先生说,解题时先足够地退到我们最易看清楚问题的地方,认透了、钻深了,然后再上去。

特殊化既是寻找解题方法的方法,又是直接解题的一种方法。

例2-146 已知恒等式 求实数,其中。

解 对取特殊值,当时,有 故有(1) (2) 又取(即比较常数项系数),有 (3) 比较的系数(考虑特殊位置),有(4) 由④得 代入(1),得 代入原式左边,有 故知。

也可以将的值代入(3)、(2)求,但要检验排除增根。

例2-147 已知为常数,,且 求证 是周期函数。

分析 作特殊化探索。求解的困难在于不知道周期,先特殊化,取一个满足条件的特殊函数且,有 但的周期为。

猜想是周期。

证明 由已知有 据此,有 得证为周期函数,且为一个周期。

例2-148 在平面上给定一直线,半径为厘米(是整数)的圆以及在圆内的条长为1厘米的线段。试证在给定的圆内可以作一条和给定直线平行或垂直的弦,它至少与两条给定的线段相交。

分析 特殊化,令,作一个半径为1的圆,在圆内作四条1厘米长的线段,再作一条与已知直线L垂直的直线L’(图2-63) 现从结论入手,设AB∥L并与两条弦相交,则交点在L’上的投影重合,反之,如果四条线段在L或L’上的投影有重合点,则从重合点出发作垂线即可。

由特殊化探索出一个等价命题将给定的线段向已知直线L或L的垂线作投影时,至少有两个投影点重合。

这可以通过长度计算来证实。

证明 设已知直线为L,作L’⊥L,又设条线段为,每一条在L,L’上的投影长为,有。

由 得 从而,两个加项中必有一个不小于厘米,但圆的直径为厘米,故在L或L’的投影中,至少有两条线段的投影相交,过重迭点作L或L’的垂线即为所求。(将表示为三角函数运算更方便) .(例2-51)的求解过程,实质上是对表达式中函数的三个表达式分别取值为 2-7-10 一般化 推进到一般,就是把维数较低或抽象程度较弱的有关问题转化为维数较高、抽象程度较强的问题,通过整体性质或本质关系的考虑,而使问题获得解决,离散的问题可以一般化用连续手段处理,有限的问题可以一般化用数学归纳法处理,由于特殊情况往往涉及一些无关宏旨的细节而掩盖了问题的关键,一般情况则更明确地表达了问题的本质。波利亚说“这看起来矛盾,但当从一个问题过渡到另一个,我们常常看到,新的雄心大的问题比原问题更容易掌握,较多的问题可能比只有一个问题更容易回答,较复杂的定理可能更容易证明,较普遍的问题可能更容易解决。” 希尔伯特还说在解决一个数学问题时,如果我们没有获得成功,原因常常在于我们没有认识到更一般的观点,即眼下要解决的只不够是一连串有关问题的一个环节。

例2-149 求和(例2-144) 解 引进恒等式 对求导 令,得。

这实质是将所面临的问题,放到一个更加波澜壮阔的背景上去考察,当中既有一般化、又有特殊化。

例2-150 1985个点分布在一个圆的圆周上,每个点标上1或-1,一个点称为“好点”,如果从这点开始,依任一方向绕圆周前进到任何一点时,所经过的各数的和都是正的。证明如果标有-1的点数少于662时,圆周上至少有一个好点。

证明 这里662与1985的关系是不清楚的,一般化的过程其实也就是揭示它们内在联系的过程,可以证明更一般性的结论在个点中有个-1时,“好点”一定存在。

(1)时,如图2-64,A、B、C、D标上1,则B、C均为好点。

(2)假设命题当时成立,即个点中有个-1时,必有好点。

对,可任取一个-1,并找出两边距离它最近的两个1,将这3个点一齐去掉,在剩下的个点中有个-1,因而一定有好点,记为P。现将取出的3个点放回原处,因为P不是离所取出的-1最近的点,因而从P出发依圆周两方前进时,必先遇到添回的1,然后再遇到添回的-1,故P仍是好点,这说明,时命题成立。

由数学归纳法得证一般性命题成立,取即得本例成立。

这里一般化的好处是第一,可以使用数学归纳法这个有力工具;
第二归纳假设提供了一个好点,使得顺利过渡到。一般说来,更强的命题提供更强的归纳假设。

例2-151 设,求证是整数。

证明 考虑更一般性的整系数多项式 由 知是偶函数,从而只含的偶次项,得是含的整系数多项式,特别地,取为正整数即,得为整数。

这里,把常数一般化为变数之后,函数性质便成为解决问题的锐利武器。

2-7-11 数字化 数字化的好处是将实际问题转化为数学问题的同时,还将抽象的推理转化为具体的计算。这在例2-33中已见过。

例2-152 今有男女各2n人,围成内外两圈跳舞,每圈各2n人,有男有女,外圈的人面向内,内圈的人面向外,跳舞规则如下每当音乐一起,如面对面者为一男一女,则男的邀请女的跳舞,如果均为男的或均为女的,则鼓掌助兴,曲终时,外圈的人均向左横移一步,如此继续下去,直至外圈的人移动一周。

证明在整个跳舞过程中至少有一次跳舞的人不少于n对。

解 将男人记为1,女人记为-1,外圈的2n个数与内圈的2n个数中有个1,个-1,因此,和 从而 ① 另一方面,当与面对面时, 中的-1的个数表示这时跳舞的对数,如果在整个过程中,每次跳舞的人数均少于n队,那么恒有 从而总和 ② 由①与②矛盾知,至少有一次跳舞的人数不少于n对。

这里还用到整体处理的技巧。

例 2-153 有男孩、女孩共n个围坐在一个圆周上(),若顺序相邻的3人中恰有一个男孩的有组,顺序相邻的3人中恰有一个女孩的有组,求证。

证明 现将小孩记作,且数字化 则 其中 又设取值为3的有个,取值为的有个,依题意,取值为1的有个,取值为的有个,得 可见,也可以数字化为 有 考虑积 知 2-7-12 有序化 当题目出现多参数、多元素(数、字母、点、角、线段等)时,若按一定的规则(如数的大小,点的次序等),将其重新排列,则排序本身就给题目增加了一个已知条件(有效增设),从而大大降低问题的难度。特别是处理不等关系时,这是一种行之有效的技巧。

例2-154 设有的正方形方格棋盘。在其中任意的3n个方格中各放一枚棋子,求证可以选出行和列,使得3枚棋子都在这n行和n列中。

证明 设3n枚棋子放进棋盘后,2n行上的棋子数从小到大分别为,有 ① ② 由此可证 ③ (1)若,③式显然成立。

(2)若时, 从而 得③式也成立。

据③式,可取棋子数分别为所对应的行,共n行。由于剩下的棋子数不超过n,因而至多取n列必可取完全部3n个棋子。

例2-155 设都是自然数,且满足 ① 求中的最大值。() 解 由条件的对称性,不妨设 ② 这就改变了条件的对称性,相当于增加了一个条件 否则,,由②知 从而,代入①得 矛盾,这时,由①有 当且时,有最大值,这也就是的最大值。

2-7-13 不变量 在一个变化的数学过程中常常有个别的不变元素或特殊的不变状态,表现出相对稳定的较好性质,选择这些不变性作为解题的突破口是一个好主意。

例2-156 从数集开始,每一次从其中任选两个数,用和代替它们。能否通过有限多次代替得到数集, 解 对于数集,经过一次替代后,得出, 有 即每一次替代后,保持3个元素的平方和不变(不变量)。由知, 不能由替换为。

例2-157 设个整数具有性质;
从其中任意去掉一个,剩下的个数可以分成个数相等的两组,其和相等。证明这2n1个整数全相等。

证明 分三步进行,每一步都有“不变量”的想法。

第一步 先证明这2n1个数的奇偶性是相同的。

因为任意去掉一个数后,剩下的数可分成两组,其和相等,故剩下的2n个数的和都是偶数。因此,任一个数都与这2n1个数的总和具有相同的奇偶性。

第二步 如果具有性质P,则每个数都减去整数之后,仍具有性质P,特别地取,得 也具有性质P,由第一步的结论知,都是偶数。

第三步 由为偶数且具有性质P,可得 都是整数,且仍具有性质P,再由第一步知,这个数的奇偶性相同,为偶数,所以都除以2后,仍是整数且具有性质P,余此类推,对任意的正整数,均有 为整数,且具有性质P,因可以任意大,这就推得 即 2-7-14 整体处理 数学题本身是一个子系统,在解题中,注意对其作整体结构的分析,从整体性质上去把握各个局部,这样的解题观念或思考方法,称为整体处理。

例2-158 九个袋子分别装有9,12,14,16,18,21,24,25,28只球,甲取走若干袋,乙也取走若干带,最后只剩下一袋,已知甲取走的球数总和是乙的两倍,问剩下的一袋内装有球几只 解 从全局上考虑,由于甲取走的球数是乙取走球数的两倍,所以取走的球数总和必是3的倍数,而九个袋子的球数之和被3除余2,所以剩下的一袋也是被3除余2,又由于九袋中,只有,故剩下的袋内装球14只。

例2-159 证明任意3个实数不能同时满足下列三个不等式 证明 若不然,存在3个实数,使 相乘 这一矛盾说明,任意3个实数不能同时满足题设的三个不等式。

2-7-15 变换还原 利用那些具有互逆作用的公式或运算,先作交换,再作还原,是绕过难点,避开险处的一个技巧

例2-160 求数列的通项,已知 解 引进变换,有 由 得 得 例2-161 证明恒等式 (1) 证明 利用互逆公式 若 (2) 则 (3) 记 先作(2)中的运算 再作(3)中的运算 2-7-16 逐步调整 在涉及到有限多个元素的系统中,系统的状态是有限的,因而总可以经过有限次调整,把系统调整到所要求的状态(常常是极值状态)。

例2-162 已知二次三项式的所有系数都是正的且,求证对于任何满足的正数组,都有 (1) 证明 由知,若 (2) 则(1)中等号成立。

若不全相等,则其中必有(不妨设),由 可作变换 则 当不全相等时,则又进行同样的变换,每次变换都使中等于1的个数增加一个,至多进行次变