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  • 一题多解[发散思维拓展训练]

    例9+1已知(alpha)为第Ⅳ象限角,且(sin(alpha+cfrac{pi}{4})=cfrac{3}{5}),求(tan(alpha-cfrac{pi}{4}))的值;

    法1:由题目可知,(cfrac{sqrt{2}}{2}(sinalpha+cosalpha)=cfrac{3}{5}),则(sinalpha+cosalpha=cfrac{3sqrt{2}}{5})

    (sin^2alpha+cos^2alpha=1)联立,得到(2sin^2alpha-cfrac{6sqrt{2}}{5}sinalpha-cfrac{7}{25}=0),即((sqrt{2}sinalpha+cfrac{1}{5})(sqrt{2}sinalpha-cfrac{7}{5})=0)

    解得(sinalpha=-cfrac{sqrt{2}}{10}),或(sinalpha=cfrac{7sqrt{2}}{10})(不符,舍去),

    (sinalpha=-cfrac{sqrt{2}}{10})(cosalpha=cfrac{7sqrt{2}}{10}),从而(tanalpha=-cfrac{1}{7})

    代入(tan(alpha-cfrac{pi}{4})=cfrac{tanalpha-1}{1+tanalpha}=-cfrac{4}{3})

    法2:由(sinalpha+cosalpha=cfrac{3sqrt{2}}{5}),得到(2sinalpha cosalpha=-cfrac{7}{25})

    则有((sinalpha-cosalpha)^2=cfrac{32}{25}),由于(alpha)为第Ⅳ象限角,

    得到(sinalpha-cosalpha=-cfrac{4sqrt{2}}{5}),又(sinalpha+cosalpha=cfrac{3sqrt{2}}{5})

    (sinalpha=-cfrac{sqrt{2}}{10})(cosalpha=cfrac{7sqrt{2}}{10}),从而(tanalpha=-cfrac{1}{7})

    代入(tan(alpha-cfrac{pi}{4})=cfrac{tanalpha-1}{1+tanalpha}=-cfrac{4}{3})

    法3:由(2sinalpha cosalpha=-cfrac{7}{25}),得到(cfrac{2sinalpha cosalpha}{sin^2alpha+cos^2alpha}=-cfrac{7}{25})

    (cfrac{2tanalpha}{tan^2alpha+1}=-cfrac{7}{25}),解得(tanalpha=-7)(tanalpha=-cfrac{1}{7})

    又由于又(sinalpha+cosalpha=cfrac{3sqrt{2}}{5}),则(|cosalpha|>|sinalpha|),即(|tanalpha|<1)

    故保留(tanalpha=-cfrac{1}{7}),代入(tan(alpha-cfrac{pi}{4})=cfrac{tanalpha-1}{1+tanalpha}=-cfrac{4}{3})

    例10【2017(cdot)深圳模拟】若函数(f(x)=cfrac{x}{(2x+1)(x-a)})是奇函数,则实数(a)的值是【】.

    $A.cfrac{1}{2}$ $B.cfrac{2}{3}$ $C.cfrac{3}{4}$ $D.-cfrac{1}{2}$

    【法1】:由函数(f(x))为奇函数,则满足(f(-x)=-f(x))

    (f(x)=cfrac{x}{(2x+1)(x-a)}=cfrac{x}{2x^2+(1-2a)x-a})

    (f(-x)=cfrac{-x}{(-2x+1)(-x-a)}=cfrac{-x}{2x^2-(1-2a)x-a})

    (cfrac{-x}{2x^2-(1-2a)x-a}=cfrac{-x}{2x^2+(1-2a)x-a})应该恒成立,

    只需要(-(1-2a)=1-2a),解得(a=cfrac{1}{2});故选(A)

    【法2】:由于定义域中有(-1,1),故必然满足(f(-1)=-f(1)),解得(a=cfrac{1}{2});故选(A);和法1相比,是特值验证。

    【法3】:由于奇函数的定义域关于原点对称,令(2x+1=0)得到(x=-cfrac{1}{2}),故可知定义域中没有(x=-cfrac{1}{2})

    (x-a=0)得到(x=a),故定义域中必然没有(x=a),故(a=cfrac{1}{2});故选(A)

    【法4】:(f(x)=cfrac{x}{(2x+1)(x-a)}=cfrac{x}{2x^2+(1-2a)x-a}),由于分子函数为奇函数,要是(f(x))为奇函数,则分母函数(y=2x^2+(1-2a)x-a)为二次函数,

    要是偶函数,则(1-2a=0),解得(a=cfrac{1}{2});故选(A)

    例1【均值不等式】

    均值不等式中的一则题目(scriptsize ext{)(a+cfrac{1}{a})^2+(b+cfrac{1}{b})^2ge cfrac{25}{2}(})

    例2【数列的相关运算】已知数列({a_n})是等差数列,其前(n)项和为(S_n),已知(S_6=42)(S_{12}=156),求(S_{18})的值。

    【法1:以(a_1)(d)为元的方程组法】利用(S_n=na_1+cfrac{n(n-1)}{2} imes d)得到,

    (egin{cases}S_6=6a_1+15d=42\S_{12}=12a_1+66d=156end{cases}),解得(egin{cases}a_1=2\d=2end{cases})

    (S_{18}=18a_1+cfrac{18 imes17}{2} imes 2=342)

    【法2:以(a)(b)为元的方程组法】由等差数列的性质知道,其前(n)项和公式可以写成这样:(S_n=an^2+bn)

    由此得到,(egin{cases}S_6=36a+6b=42\S_{12}=144a+12b=156end{cases}),解得(egin{cases}a=1\b=1end{cases})

    (S_{18}=1 imes 18^2+1 imes 18=342)

    【法3:等差数列性质,函数法】注意到(cfrac{S_n}{n}=an+b),即表明数列({cfrac{S_n}{n}})也是一个等差数列。

    由于(cfrac{S_6}{6})(cfrac{S_{12}}{12})(cfrac{S_{18}}{18})分别是数列的第(6,12,18)项,故这三项也是成等差数列的,

    则有$2 imescfrac{S_{12}}{12}=cfrac{S_6}{6}+cfrac{S_{18}}{18} $,即$2 imescfrac{156}{12}=cfrac{42}{6}+cfrac{S_{18}}{18} $,

    解得(S_{18}=342)

    【法4:等差数列性质法】由于(S_6,S_{12}-S_6,S_{18}-S_{12})成等差数列,

    故有(2(S_{12}-S_6)=S_6+S_{18}-S_{12}),即(2(156-42)=42+S_{18}-156)

    解得(S_{18}=3(156-42)=342)

    例3(宝鸡市二检文理科第22题)【坐标系与参数方程】

    在直角坐标系(xoy)中,曲线(C_1)的参数方程为(egin{cases}x=2+2cosalpha\y=2sinalphaend{cases}(alpha为参数)),以坐标原点为极点,以(x)轴正半轴为极轴,建立极坐标系,曲线(C_2)的极坐标方程为( ho=2cos heta)

    (1)写出曲线(C_1)的普通方程和(C_2)的直角坐标方程;

    (2)设点(P)(C_1)上,点(Q)(C_2)上,且(angle POQ=cfrac{pi}{2}),求三角形(POQ)面积的最大值。

    分析:(1) 直接给出答案,曲线的普通方程(C_1:(x-2)^2+y^2=4);所求的直角坐标方程(C_2:(x-1)^2+y^2=1)

    (2)【法1】极坐标法,曲线(C_1)的极坐标方程为( ho_1=4cosalpha(alphain(-cfrac{pi}{2},cfrac{pi}{2}))), 曲线(C_2)的极坐标方程为( ho_2=2cos heta( hetain(-cfrac{pi}{2},cfrac{pi}{2})))

    如右图所示,初步分析,当点(P)(x)轴上方时,点(Q)必在(x)轴下方;当然还会有另一种情形,当点(P)(x)轴下方时,点(Q)必在(x)轴上方;

    我们取其中一种做研究,比如点(P)(x)轴上方,点(Q)(x)轴下方;注意此时点(Q)的极角是负值(- heta)

    由于( ho_1>0)( ho_2>0),以及(angle POQ=cfrac{pi}{2})可得,(alpha- heta=cfrac{pi}{2}),即(alpha= heta+cfrac{pi}{2}),(顺时针为正,逆时针为负)

    则有(S_{Delta OPQ}=cfrac{1}{2}|OP||OQ|=cfrac{1}{2} ho_1 ho_2=cfrac{1}{2} imes 4cosalpha imes 2cos heta)

    (=4cos( heta+cfrac{pi}{2})cosalpha=-4sin heta cos heta=-2sin2 heta)

    (2 heta=-cfrac{pi}{2}),即( heta=-cfrac{pi}{4})时,((S_{Delta OPQ})_{max}=2)

    【法2】参数方程法,

    如图所示,曲线(C_1)的参数方程是(egin{cases}x=2+2cosalpha\y=2sinalphaend{cases}(alpha为参数,alphain (0,2pi))),曲线(C_2)的参数方程是(egin{cases}x=1+cos heta\y=2sin hetaend{cases}( heta为参数, hetain (0,2pi))),注意参数的含义,(cfrac{alpha}{2}-cfrac{ heta}{2}=cfrac{pi}{2}),即(alpha=pi+ heta)

    则有(S_{Delta OPQ}=cfrac{1}{2}|OP||OQ|=cfrac{1}{2}sqrt{(2+2cosalpha)^2+(2sinalpha)^2}sqrt{(1+cos heta)^2+sin^2 heta})

    (=cfrac{1}{2}sqrt{8(1+cosalpha)}sqrt{2(1+cos heta)}=cfrac{1}{2}sqrt{8(1-cos heta)}sqrt{2(1+cos heta)}=cfrac{1}{2} imes 4sqrt{(1-cos heta)(1+cos heta)}=2sqrt{1-cos^2 heta}=2|sin heta|)

    ( heta=cfrac{pi}{2})时,((S_{Delta OPQ})_{max}=2)

    【变形方法3】参数方程法,曲线(C_1)的参数方程是(egin{cases}x=2+2cosalpha\y=2sinalphaend{cases}(alpha为参数,alphain (0,2pi))),曲线(C_2)的参数方程是(egin{cases}x=1+cos heta\y=2sin hetaend{cases}( heta为参数, hetain (0,2pi))),注意参数的含义,(cfrac{alpha}{2}-cfrac{ heta}{2}=cfrac{pi}{2}),即(alpha=pi+ heta)

    (angle POQ=cfrac{pi}{2})可知,(k_{OP}k_{OQ}=-1),即(cfrac{2sinalpha}{2+2cosalpha} imes cfrac{sin heta}{1+cos heta}=-1),即(-sinalpha sin heta=(1+cosalpha)(1+cos heta))

    (S_{Delta OPQ}=cfrac{1}{2}|OP||OQ|=cfrac{1}{2}sqrt{(2+2cosalpha)^2+(2sinalpha)^2}sqrt{(1+cos heta)^2+sin^2 heta})

    (=cfrac{1}{2}sqrt{8(1+cosalpha)}sqrt{2(1+cos heta)}=2sqrt{(1+cosalpha)(1+cos heta)}=2sqrt{-sinalpha sin heta}),又有(cfrac{alpha}{2}-cfrac{ heta}{2}=cfrac{pi}{2}),即(alpha=pi+ heta)

    (=2sqrt{sin^2 heta}=2|sin heta|)

    ( heta=cfrac{pi}{2})时,((S_{Delta OPQ})_{max}=2)

    【法4】尝试使用均值不等式,待有空思考整理。

    设直线(OP)的方程为(y=kx),由(angle POQ=cfrac{pi}{2})可得,

    直线(OQ)的方程为(y=-cfrac{1}{k}x)

    联立(egin{cases}(x-2)^2+y^2=4\y=kxend{cases}),解得(P(cfrac{4}{1+k^2},cfrac{4k}{1+k^2} ))

    联立(egin{cases}(x-1)^2+y^2=1\y=-cfrac{1}{k}xend{cases}),解得$ Q(cfrac{2k^2}{1+k^2},cfrac{-2k}{1+k^2} )$,

    (S_{Delta POQ}=cfrac{1}{2}|OP||OQ|=cfrac{1}{2}sqrt{(cfrac{4}{1+k^2})^2+(cfrac{4k}{1+k^2})^2}sqrt{(cfrac{2k^2}{1+k^2})^2+(cfrac{-2k}{1+k^2})^2})

    (=cfrac{1}{2}sqrt{cfrac{16}{1+k^2}}sqrt{cfrac{4k^2}{1+k^2}}=cfrac{4|k|}{1+k^2}=cfrac{4}{|k|+frac{1}{|k|}}leq 2)

    当且仅当(|k|=1)时取到等号。故((S_{Delta POQ})_{max}=2)

    反思:这个解法的优越性体现在只有一个变量(k),那么求最值时就好操作些。

    解后反思:

    1、在高中数学中,求某个量(比如面积)的最值时,往往需要先表达出这个量(比如面积)的函数,这样求实际问题的最值就变成了求这个函数模型的最值问题了,这一过程实际就是函数的建模。

    2、法1利用极坐标法,这样表达刻画面积时,就只有两个变量(alpha)( heta),然后利用两个变量的相互关系,再将变量集中为一个变量,就好求解其最大值了。

    3、法2利用参数方程法,在表达刻画面积时,同样只有两个变量(alpha)( heta),然后利用两个变量的相互关系,再将变量集中为一个变量,就好求解其最大值了。法2和法3本质接近。

    4、正确求解本题目,需要深刻理解极坐标方程的含义和参数方程的含义,尤其是法2对参数的含义更不能弄错了。用到了内外角关系和圆心角和圆周角关系。

    5、还有学生想到设(P(x_1,y_1)),$ Q(x_2,y_2)$,这样的思路我没有做尝试,不过能看出来此时是四个变量,这样就难得多了,所以碰到这样的题目我们先需要初步筛选思路。

    例4(2017(cdot)全国卷3理科第12题)【函数的零点】已知函数(f(x)=x^2-2x+a(e^{x-1}+e^{-x+1}))有唯一的零点,则(a)的值为【】

    $A.-cfrac{1}{2}$ $B.cfrac{1}{3}$ $C.cfrac{1}{2}$ $D.1$

    【法1】:分离常数法,本题目就不适宜使用此法;

    (f(x)=0)得到(a(e^{x-1}+e^{-x+1})=-x^2+2x),分离得到(a=cfrac{-x^2+2x}{e^{x-1}+e^{-x+1}}=h(x))

    你应该能感觉到函数(h(x))若要用导数分析其单调性,那会是相当的难,故分离参数的思路一般在这个题目中,就自然舍弃了。

    【法2】:由题目可知方程(f(x)=0)仅有一解,即(a(e^{x-1}+e^{-x+1})=-x^2+2x)仅有一解,

    即函数(y=a(e^{x-1}+e^{-x+1}))与函数(y=-x^2+2x)的图像仅有一个交点。参考图像

    手工怎么作图呢,函数(y=-x^2+2x)的图像大家应该会的,故重点说(y=a(e^{x-1}+e^{-x+1}))的图像。

    令函数(g(x)=y=e^x+cfrac{1}{e^x}=e^x+e^{-x}),则是偶函数,(g(0)=2)

    (xge 0)时,(g'(x)=e^x-e^{-x})(g'(x))单调递增,

    (g'(x)ge g'(0)=0),则函数(g(x))([0,+infty))上单调递增,又由偶函数可知,在((-infty,0])上单调递减,

    这样我们就做出了函数(g(x)=e^x+cfrac{1}{e^x})的图像,然后将其向右平移一个单位,得到(y=e^{x-1}+e^{-x+1})的图像,

    前边的系数(a)的作用有两个,其一控制张角大小,其二控制函数最低点的位置,

    就像函数(y=a|x|)中的(a)的作用一样的,所以我们就能用手工做出函数(y=a(e^{x-1}+e^{-x+1}))的图像,

    要使得函数(y=a(e^{x-1}+e^{-x+1}))与函数(y=-x^2+2x)的图像仅有一个交点,

    就需要函数(y=a(e^{x-1}+e^{-x+1}))的最小值(a(e^{1-1}+e^{-1+1})=2a)和函数(y=-x^2+2x)的最大值(-1^2+2 imes1=1)相等,

    (2a=1),解得(a=cfrac{1}{2})。故选(C).

    【法3】:构造函数法+函数性质法;

    函数(f(x)=x^2-2x+a(e^{x-1}+e^{-x+1})=(x-1)^2+a[e^{x-1}+e^{-(x-1)}]-1)

    (t=x-1),则(g(t)=f(x-1)=t^2+a(e^t+e^{-t})-1)

    由于(g(-t)=t^2+a(e^t+e^{-t})-1=g(t)),故(g(t))为偶函数,

    由于函数(f(x))有唯一零点,则函数(g(t))也有唯一零点,

    又函数(g(t))是偶函数,即函数(g(t))(t)轴仅有一个交点,则(g(0)=0)

    代入得到(2a-1=0),即(a=cfrac{1}{2});故选(C).

    【法4】:函数(f(x)=0Leftrightarrow) (a(e^{x-1}+e^{-(x-1)})=-x^2+2x)

    (e^{x-1}+e^{-(x-1)}ge 2sqrt{e^{x-1}cdot e^{-(x-1)}}=2),当且仅当(x=1)时取到等号;

    (-x^2+2x=-(x-1)^2+1leq 1)

    (a>0)时,(a(e^{x-1}+e^{-(x-1)})ge 2a)

    要使(f(x))仅有一个零点,则必有(2a=1),解得(a=cfrac{1}{2})

    (a<0),则函数(f(x))的零点不唯一,

    综上,(a=cfrac{1}{2});故选(C).

    【法5】由(f(x)=x^2-2x+a(e^{x-1}+e^{-x+1}))

    得到(f(2-x)=(2-x)^2-2(2-x)+a(e^{2-x-1}+e^{-(2-x)+1})=x^2-2x+a(e^{x-1}+e^{-x+1}))

    所以(f(2-x)=f(x)),故(x=1)是函数(f(x))图像的对称轴。

    由题意可知,函数(f(x))有唯一的零点,

    故只能是(x=1)

    (f(1)=1^2-2 imes1+a(e^{1-1}+e^{-1+1})=0)

    解得(a=cfrac{1}{2}),故选(C).

    【法6】我们一般这样转化,由函数(f(x))有唯一的零点,

    得到方程(x^2-2x=-a(e^{x-1}+e^{-x+1}))有唯一解,注意到方程的右端,

    我们可以和对勾函数做以联系,令(x-1=t),则(x=t+1)

    故原方程就转化为((t+1)^2-2(t+1)=-a(e^t+e^{-t})),为了便于做出图像,

    还需要再代换,令(e^t=x),则(x>0)(t=lnx)

    这样方程就又转化为(ln^2x-1=-a(x+cfrac{1}{x}))

    在同一个坐标系中,分别做出函数(y=ln^2x-1)(y=-a(x+cfrac{1}{x}))的图像,

    <img src="http://images2015.cnblogs.com/blog/992978/201707/992978-20170708111845878-662541646.png" / >

    由图像可知对勾函数前面的系数必须满足(-a=-cfrac{1}{2})

    (a=cfrac{1}{2}),故选(C).

    例5(2017凤翔中学高三理科数学第二次月考第21题)【已知单调性求参数范围】

    已知函数(f(x)=(a+1)lnx+ax^2+1)

    (1) 讨论函数(f(x))的单调性。

    分析:先求定义域得((0,+infty)),求导得到(f'(x)=cfrac{a+1}{x}+2ax=cfrac{2ax^2+a+1}{x})

    然后只考虑分子函数(g(x)=2ax^2+a+1)的图像,

    先考虑(a=0),在考虑函数(g(x))图像恒在(x)轴上方,恒在(x)轴下方,以及(x)轴上方下方都有图像的情形,

    自然就得到了分类的标准有(a=0)(a>0)(a+1leq 0),以及(-1<a<0),在解答时做一综合就行了。

    解:当(age 0)时,(g(x)>0)恒成立,则(f'(x)=cfrac{2ax^2+a+1}{x}>0),故(f(x))((0,+infty))上单调递增;

    (aleq -1)时,(g(x)leq 0)恒成立,则则(f'(x)=cfrac{2ax^2+a+1}{x}<0),故(f(x))((0,+infty))上单调递减;

    (-1<a<0)时,令(f'(x)=0),解得(x=sqrt{-cfrac{a+1}{2a}}=x_0),即(xin(0,x_0))时,(f'(x)>0)

    (f(x))((0,x_0))上单调递增;(xin(x_0,+infty))时,(f'(x)<0),故(f(x))((x_0,+infty))上单调递减;

    (2)设(a<-1),若对任意(x_1,x_2in(0,+infty)),恒有(|f(x_1)-f(x_2)|ge 4|x_1-x_2|),求(a)的取值范围。

    不妨设(x_1leq x_2),由(1)可知,(a<-1)(f(x))((0,+infty))单调递减,

    从而对任意(x_1,x_2in(0,+infty)),恒有(|f(x_1)-f(x_2)|ge 4|x_1-x_2|)

    可以等价转化为(f(x_1)-f(x_2)ge 4(x_2-x_1))

    即任意(x_1,x_2in(0,+infty)),恒有(f(x_1)+4(x_1)ge f(x_2)+4x_2),【到此,构造函数就有了依托】

    (g(x)=f(x)+4x),则(x_1leq x_2)(g(x_1)ge g(x_2))原命题等价于函数(g(x))((0,+infty))上单调递减。

    (g'(x)=cfrac{a+1}{x}+2ax+4=cfrac{2ax^2+4x+a+1}{x}leq 0)((0,+infty))上恒成立。接下来的思路就比较多了:

    思路1:分离参数得到,(aleq cfrac{-4x-1}{2x^2+1}=cfrac{(2x-1)^2-4x^2-2}{2x^2+1}=cfrac{(2x-1)^2}{2x^2+1}-2),故(aleq -2)

    思路2:只关注导函数(g'(x))的分子,令(h(x)=2ax^2+4x+a+1),则转化为(h(x)leq 0)((0,+infty))上恒成立,

    分离参数得到,(aleq (cfrac{-4x-1}{2x^2+1})_{min})

    (phi(x)=cfrac{-4x-1}{2x^2+1})

    解得(phi'(x)=cfrac{-4(2x^2+1)-(-4x-1)cdot 4x}{(2x^2+1)^2}=cfrac{8x^2+4x-4}{(2x^2+1)^2}=cfrac{4(2x-1)(x+1)}{(2x^2+1)^2})

    (xin(0,cfrac{1}{2}))时,(phi'(x)<0)(phi(x))单调递减,(xin(cfrac{1}{2},+infty))时,(phi'(x)>0)(phi(x))单调递增,

    (phi(x)_{min}=phi(cfrac{1}{2})=-2),故(aleq -2)

    思路3:只关注导函数(g'(x))的分子,令(h(x)=2ax^2+4x+a+1)

    则转化为(h(x)leq 0)((0,+infty))上恒成立,利用二次函数求解。

    (egin{cases}h(0)leq 0\x=-cfrac{4}{2 imes 2a}<0\ Delta >0end{cases})或者(Delta leq 0)

    解得(aleq -2或age 1),又(a<-1),故(aleq -2)

    思路4:接思路1,分离参数得到,(aleq cfrac{-4x-1}{2x^2+1})

    求函数(phi(x)=cfrac{-4x-1}{2x^2+1})的最小值,还可以用代换法,

    (-4x-1=t<-1),则(phi(x)=cfrac{t}{cfrac{(t+1)^2}{8}+1}=cfrac{8t}{t^2+2t+9}=cfrac{8}{t+cfrac{9}{t}+2}ge cfrac{8}{-2sqrt{9}+2}=-2)

    (aleq -2)

    例6【三角函数求值中的给值求值类】

    已知(tanalpha=cfrac{1}{2}),求(sin^4alpha-cos^4alpha)的值。

    【法1】:方程组法,由(left{egin{array}{l}{cfrac{sinalpha}{cosalpha}=cfrac{1}{2}}\{sin^2alpha+cos^2alpha=1}end{array} ight.)

    解得(sin^2alpha=cfrac{1}{5})(cos^2alpha=cfrac{4}{5})

    代入得到(sin^4alpha-cos^4alpha=-cfrac{3}{5})

    【法2】:齐次式法,(sin^4alpha-cos^4alpha=(sin^2alpha-cos^2alpha)(sin^2alpha+cos^2alpha)=sin^2alpha-cos^2alpha)

    (=-cos2alpha=-cfrac{cos^2alpha-sin^2alpha}{sin^2alpha+cos^2alpha}=cfrac{1-tan^2alpha}{1+tan^2alpha}=-cfrac{3}{5})

    【法3】:由(cfrac{sinalpha}{cosalpha}=cfrac{1}{2}),引入比例因子,可设(sinalpha=k)(cosalpha=2k(k eq 0))

    (k^2+(2k)^2=1),可得(k^2=cfrac{1}{5}),故(k^4=cfrac{1}{25})

    (sin^4alpha-cos^4alpha=k^4-(2k)^4=-15k^4=-cfrac{3}{5})

    例7【2019届理科数学周末训练1第22题】

    已知直线(l)的极坐标方程为( ho sin( heta-cfrac{pi}{3})=0),以极点为平面直角坐标系的原点,极轴为(x)轴的正半轴,建立平面直角坐标系,

    曲线(C)的参数方程为(left{egin{array}{l}{x=2cosalpha}\{y=2+2sinalpha}end{array} ight.(alpha为参数))课件

    (1)求直线(l)被曲线(C)截得的弦长|OA|。

    分析:可以从以下四个角度思考,

    ①利用两点间的距离公式;

    【法1】直线(l)的普通方程为(y=sqrt{3}x),圆(C)的普通方程为(x^2+(y-2)^2=2^2)

    联立消掉(y),得到(x^2-sqrt{3}x=0)

    解得,(left{egin{array}{l}{x_1=0}\{y_1=0}end{array} ight.),或(left{egin{array}{l}{x_2=sqrt{3}}\{y_2=3}end{array} ight.)

    由两点间距离公式得到(|OA|=2sqrt{3})

    ②直线和圆相交求弦长的几何方法;

    【法2】直线为(sqrt{3}x-y=0),圆心为((0,2))

    则圆心到直线的距离为(d=cfrac{|0-2|}{2}=1),又半径为(2)

    故半弦长为(sqrt{2^2-1^2}=sqrt{3}),则弦长(|OA|=2sqrt{3})

    ③直线的参数方程法;

    【法3】由于直线的普通方程为(y=sqrt{3}x),经过点((0,0))

    斜率(k=tan heta=sqrt{3})

    直线(l)的参数方程为(left{egin{array}{l}{x=0+cfrac{1}{2}t}\{y=0+cfrac{sqrt{3}}{2}t}end{array} ight.(t为参数))

    将其代入圆的普通方程(x^2+(y-2)^2=2^2)

    整理得到(t^2-2sqrt{3}t=0)

    解得(t_1=0)(t_2=2sqrt{3})

    则弦长(|OA|=|t_1-t_2|=2sqrt{3})

    ④极坐标法;

    【法4】直线的极坐标方程为( heta=cfrac{pi}{3})

    圆的极坐标方程为( ho=4sin heta)

    二者联立,得到( ho=4sincfrac{pi}{3}=2sqrt{3})

    即所求弦长(|OA|=2sqrt{3})

    (2)从极点做曲线(C)的弦,求弦的中点(M)轨迹的极坐标方程。

    分析:可以从以下三个角度思考:

    ①利用平面直角坐标系下的中点公式;

    【法1】在平面直角坐标系中,设过坐标原点的直线和圆相交于点(P(x_0,y_0)),则所得弦的中点坐标为(M(x,y))

    (left{egin{array}{l}{2x=x_0}\{2y=y_0}end{array} ight.),又点(P(x_0,y_0))在圆(x^2+(y-2)^2=2^2)上,

    代入整理得到普通方程为(x^2+(y-1)^2=1)

    即其极坐标方程为( ho=2sin heta)

    其中(alphain(0,pi)),而不是(alphain[0,pi)),以保证弦的存在。

    ②利用圆的参数方程;

    由于圆上任意一动点(P)的坐标(P(2cos heta,2+2sin heta)),则弦的中点(M(cos heta,1+sin heta))

    即点(M)的参数方程为(left{egin{array}{l}{x=cos heta}\{y=1+sin heta}end{array} ight.( heta为参数))

    消去参数( heta),得到普通方程为(x^2+(y-1)^2=1)

    即其极坐标方程为( ho=2sin heta)

    其中(alphain(0,pi)),而不是(alphain[0,pi)),以保证弦的存在。

    ③利用极坐标法;

    【法3】曲线(C)的极坐标方程为( ho=4sin heta)

    过极点的直线的极坐标方程为( heta=alpha)

    设直线和曲线(C)的交点的极坐标为(( ho_1,alpha))

    则弦的中点(M)的极坐标为(( ho,alpha))

    由题目可知,( ho_1=2 ho),代入曲线(C)的极坐标方程为(2 ho=4sinalpha)

    得到( ho=2sinalpha),其中(alphain(0,pi))

    故弦的中点(M)轨迹的极坐标方程为( ho=2sinalpha),其中(alphain(0,pi))

    说明:由于弦的中点要存在,则必须保证( ho eq 0),即原来的(alphain[0,pi)),必须变为(alphain(0,pi))

    例8

    在平面内有(n(nin N*))条直线,其中任何两条不平行,任何三条不过同一点,求(f(1))(f(2))(f(3))(f(4))(f(5))的值;并总结(f(n))的表达式。

    法1:二阶等差数列+累加法,

    解析:由题意知,则(f(1)=2)(f(2)=4)(f(3)=7)(f(4)=11)(f(5)=16)

    (f(2)-f(1)=4-2=2)

    (f(3)-f(2)=7-4=3)

    (f(4)-f(3)=11-7=4)

    (f(5)-f(4)=16-11=5)

    $cdots $,

    (f(n)-f(n-1)=n)

    因此,当(nge 2)时,由累加法可知,

    (f(n)-f(1)=2+3+cdots+n=cfrac{(n+2)(n-1)}{2})

    (f(n)=cfrac{n^2+n+2}{2})

    (n=1)时,(f(1)=2),也满足上式,故

    (f(n)=cfrac{n^2+n+2}{2})

    在平面内有(n(nin N*))条直线,其中任何两条不平行,任何三条不过同一点,证明:这(n)条直线把平面分成(f(n)=cfrac{n^2+n+2}{2})个平面区域。

    法2:用数学归纳法证明,

    ①当(n=1)时,由几何常识可知,一条直线将平面分成两个部分即(f(1)=2),又(f(1)=cfrac{1^2+1+2}{2}=1),即(n=1)时命题成立。

    ②假设当当(n=k(kge 1,kin N^*))时命题成立,即(k)条直线将平面分成的部分数为(f(k)=cfrac{k^2+k+2}{2})

    那么当(n=k+1)时,由于新添加的第(k+1)条直线和以前的(k)条直线两两相交且不共点,此时新增加平面区域个数为(k+1)个,

    (f(k+1)=f(k)+k+1=cfrac{k^2+k+2}{2}+k+1)

    (=cfrac{k^2+k+2+2(k+1)}{2}=cfrac{(k^2+2k+1)+(k+1)+2}{2})

    (=cfrac{(k+1)^2+(k+1)+2}{2})

    即当(n=k+1)时,命题也成立。

    综上所述,(nin N^*)时,(f(n)=cfrac{n^2+n+2}{2})

    (n)条直线把平面分成(f(n)=cfrac{n^2+n+2}{2})个平面区域。

    • 难点突破:本题目中的难点就是新添加了第(k+1)条直线后,平面区域也新增加了(k+1)个,

    思路1:用不完全归纳法突破,比如直线条数由(1Rightarrow 2)时,增加的区域个数为(2)个,由(2Rightarrow 3)时,增加的区域个数为(3)个,由(3Rightarrow 4)时,增加的区域个数为(4)个,(cdots),则由(nRightarrow n+1)时,增加的区域个数为(n+1)个。

    思路2:借助图形突破。

    例9设抛物线(C:y^2=3x)的焦点,过F且倾斜角为(30^{circ})的直线交C于A,B两点,则(|AB|)等于()

    A、(cfrac{sqrt{30}}{3}) (hspace{2cm}) B、6 (hspace{2cm}) C、12 (hspace{2cm}) D、 (7sqrt{3})

    法1、常规方法,利用两点间距离公式,由于(2p=3),则(cfrac{p}{2}=cfrac{3}{4}),故焦点(F(cfrac{3}{4},0))

    则直线(AB)的方程为(y=cfrac{sqrt{3}}{3}(x-cfrac{3}{4}))

    联立直线(AB)的方程(y=cfrac{sqrt{3}}{3}(x-cfrac{3}{4}))和抛物线(C:y^2=3x)

    (y)得到(16x^2-24 imes7x+9=0),设点(A(x_1,y_1)),点(B(x_2,y_2))

    (x_1+x_2=cfrac{24 imes7}{16}=cfrac{21}{2})

    (x_1x_2=cfrac{9}{16}),故(|AB|=sqrt{1+k^2}cdotsqrt{(x_1+x_2)^2-4x_1x_2}=12)

    法2、利用直线(AB)的参数方程的参数的几何意义,直线(AB)的参数方程为(egin{cases}x=cfrac{3}{4}+cfrac{sqrt{3}}{2}t\y=0+cfrac{1}{2}tend{cases}(t为参数))

    代入(y^2=3x)中,得到(t^2-6sqrt{3}t-9=0)

    (|AB|=|t_1-t_2|=sqrt{(t_1+t_2)^2-4t_1t_2}=sqrt{36 imes3-4 imes(-9)}=12)

    法3:利用抛物线的第二定义可知,

    (|AB|=|AF|+|BF|=|AN|+|BO|=x_1+cfrac{p}{2}+x_2+cfrac{p}{2}=x_1+x_2+p)

    故由法1中,得到(x_1+x_2=cfrac{24 imes7}{16}=cfrac{21}{2})

    (p=cfrac{3}{2}),即(|AB|=x_1+x_2+p=12)

    法4:利用抛物线的焦点弦长公式:(|AB|=cfrac{2p}{sin^2alpha})

    (|AB|=cfrac{2 imes cfrac{3}{2}}{(cfrac{1}{2})^2}=12)

    • 引申:抛物线的焦点弦长公式(|AB|=cfrac{2p}{sin^2alpha})的推导:

    当直线的斜率不存在时,即直线的倾斜角( heta=90^{circ})时,(x_1=x_2=cfrac{p}{2})(y_1=p)(y_2=-p)

    (|AB|=|y_1-y_2|=2p=cfrac{2p}{sin^290^{circ}}=cfrac{2p}{sin^2alpha})

    当直线的斜率存在时,即(k=tan heta),焦点弦方程是(y=k(x-cfrac{p}{2})),代入抛物线方程得到(k^2x^2-(k^2p+2p)x+cfrac{k^2p^2}{4}=0)

    利用韦达定理可知(x_1+x_2=cfrac{k^2p+2p}{k^2}),由抛物线的定义

    (|AB|=|AF|+|BF|=x_1+x_2+p=cfrac{k^2p+2p}{k^2}+p=cfrac{2p(k^2+1)}{k^2})

    (=2p imescfrac{tan^2 heta+1}{tan^2 heta}=2p imescfrac{sin^2 heta+cos^2 heta}{sin^2 heta}=cfrac{2p}{sin^2 heta})

    例10【向量的模的运算】已知(|vec{a}|=1,|vec{b}|=2,<vec{a},vec{b}>=60^{circ}),求(|vec{a}+2vec{b}|)

    法1:基向量法,

    (|vec{a}+2vec{b}|^2=vec{a}^2+4vec{b}^2+2 imes 2 imes vec{a}cdot vec{b})

    (=|vec{a}|^2+4|vec{b}|^2+4|vec{a}|cdot |vec{b}|cdot cos60^{circ})

    (=1+16+4 imes 1 imes 2 imes cos60^{circ}=21)

    (|vec{a}+2vec{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}))

    (vec{a}+2vec{b}=(1,0)+2(1,sqrt{3})=(3,2sqrt{3}))

    (|vec{a}+2vec{b}|=sqrt{3^2+(2sqrt{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}=2vec{b}),做向量三角形( riangle OAB)

    则在( riangle OAB)中,(|OA|=|vec{a}|=1)(|AB|=|2vec{b}|=4)(|OB|=|vec{a}+2vec{b}|)(angle OAB=120^{circ})

    由余弦定理可知,(|OB|^2=1^2+4^2-2 imes 1 imes 4 imes cos120^{circ}=21)

    (|vec{a}+2vec{b}|=|OB|=sqrt{21})

    例8【2016天津高考文科第8题】已知(f(x)=sin^2cfrac{omega x}{2}+cfrac{1}{2}sinomega x-cfrac{1}{2}(omega>0))(xin R),若(f(x))在区间((pi,2pi))内没有零点,则(omega)的取值范围是【D】

    $A.(0,cfrac{1}{8}]$ $B.(0,cfrac{1}{4}]cup [cfrac{5}{8},1)$ $C.(0,cfrac{5}{8}]$ $D.(0,cfrac{1}{8}]cup [cfrac{1}{4},cfrac{5}{8}]$

    分析:(f(x)=cfrac{1-cosomega x}{2}+cfrac{1}{2}sinomega x-cfrac{1}{2}=cfrac{1}{2}(sinomega x-cosomega x))

    (=cfrac{sqrt{2}}{2}sin(omega x-cfrac{pi}{4}))

    法1:补集法,从数的角度入手分析,假设(f(x))在区间((pi,2pi))内有零点(x_0),使得(f(x)=cfrac{sqrt{2}}{2}sin(omega x_0-cfrac{pi}{4})=0)

    (omega x_0-cfrac{pi}{4}=kpi(kin Z)),即(x_0=cfrac{kpi}{omega}+cfrac{pi}{4omega})

    (x_0=cfrac{(4k+1)pi}{4omega}),又(pi<x_0<2pi)

    (pi<cfrac{4k+1}{4omega}<2pi(kin Z)),即(left{egin{array}{l}{4omega<4k+1}\{8omega>4k+1}end{array} ight.)

    由于(omega>0),故给(k)赋值从(k=0)开始,

    ①当(k=0)时,(left{egin{array}{l}{4omega<1}\{8omega>1}end{array} ight.),即(cfrac{1}{8}<omega<cfrac{1}{4})

    ②当(k=1)时,(left{egin{array}{l}{4omega<4+1}\{8omega>4+1}end{array} ight.),即(cfrac{5}{8}<omega<cfrac{5}{4})

    ③当(k=2)时,(left{egin{array}{l}{4omega<8+1}\{8omega>8+1}end{array} ight.),即(cfrac{9}{8}<omega<cfrac{9}{4})

    ④当(k=3)时,(left{egin{array}{l}{4omega<12+1}\{8omega>12+1}end{array} ight.),即(cfrac{13}{8}<omega<cfrac{13}{4})

    ⑤当(k=4,cdots)时,(cdots)

    以上情形取并集,得到当函数(f(x))在区间((pi,2pi))内有零点(x_0)时,(omega)的取值范围是((cfrac{1}{8},cfrac{1}{4})cup(cfrac{5}{8},+infty))

    故函数(f(x))在区间((pi,2pi))内没有零点时,(omega)的取值范围是((0,cfrac{1}{8}]cup[cfrac{1}{4},cfrac{5}{8}]),故选(D)

    法2:直接法,从数的角度入手分析,函数(f(x))在区间((pi,2pi))内没有零点,则(sin(omega x_0-cfrac{pi}{4})=0)在区间((pi,2pi))内无解,

    (kpi<omega x-cfrac{pi}{4}<kpi+pi(kin Z)),即(kpi+cfrac{pi}{4}<omega x<kpi+cfrac{5pi}{4}(kin Z))

    (cfrac{kpi}{omega}+cfrac{pi}{4omega}<x_0<cfrac{kpi}{omega}+cfrac{5pi}{4omega})

    (cfrac{(4k+1)pi}{4omega}<x<cfrac{(4k+5)pi}{4omega})恒成立,由于(xin (pi,2pi))

    (cfrac{(4k+1)pi}{4omega}leq pi)(2pileq cfrac{(4k+5)pi}{4omega})

    (left{egin{array}{l}{4omegage 4k+1}\{8omegaleq 4k+5}end{array} ight.)

    ①当(k=-1)时,(4omegage -3)(8omega leq 1),解得(0<omegaleq cfrac{1}{8})

    ②当(k=0)时,(4omegage 1)(8omega leq 5),解得(cfrac{1}{4}leq omegaleq cfrac{5}{8})

    ③当(k=1)时,(4omegage 5)(8omega leq 9),解得(cfrac{5}{4}leq omegaleq cfrac{9}{8}),实质为空集;

    ④当(k=2)时,(4omegage 9)(8omega leq 13),解得(cfrac{9}{4}leq omegaleq cfrac{13}{8}),实质为空集;

    ⑤当(k=3,cdots)时,等等,解集都是空集;

    综上所述,函数(f(x))在区间((pi,2pi))内没有零点时,(omega)的取值范围是((0,cfrac{1}{8}]cup[cfrac{1}{4},cfrac{5}{8}]),故选(D)

    法3:高考解法,从数的角度入手分析,接上述解法,得到

    (sin(omega x_0-cfrac{pi}{4})=0)在区间((pi,2pi))内无解,

    (x=cfrac{kpi+frac{pi}{4}}{omega} otin (pi,2pi))

    (omega otin (cfrac{1}{8},cfrac{1}{4})cup (cfrac{5}{8},cfrac{5}{4})cup (cfrac{9}{8},cfrac{9}{4})cupcdots = (cfrac{1}{8},cfrac{1}{4})cup (cfrac{5}{8},+infty))

    由于函数(f(x))在区间((pi,2pi))内没有零点,(omega)的取值范围是((0,cfrac{1}{8}]cup[cfrac{1}{4},cfrac{5}{8}]),故选(D)

    法4:如下图所示,从形的角度入手分析:

    要使得函数在((pi,2pi))内没有零点,则有以下情形成立:

    (2pileq cfrac{pi}{4omega}),解得(0<omegaleq cfrac{1}{8})

    (left{ egin{array}{l}{ cfrac{pi}{4omega}leq pi }\ {2pi leq cfrac{5pi}{4omega}}end{array} ight.) ,解得$ cfrac{1}{4}<omega leq cfrac{5}{8}$;

    (left{egin{array}{l}{cfrac{5pi}{4omega}leq pi}\{2pileqcfrac{9pi}{4omega}} end{array} ight.),解得(cfrac{5}{4}<omegaleq cfrac{9}{8});即(omegain varnothing)

    (left{egin{array}{l}{cfrac{9pi}{4omega}leq pi}\{2pileqcfrac{13pi}{4omega}} end{array} ight.),解得(cfrac{9}{4}<omegaleq cfrac{13}{8});即(omegain varnothing)

    (cdots),解得(omegain varnothing)

    综上所述,(omega)的取值范围是((0,cfrac{1}{8}]cup[cfrac{1}{4},cfrac{5}{8}]),故选(D)

    例4【2012新课标1卷第16题】已知数列(a_{n+1}+(-1)^ncdot a_n=2n-1),求(S_{60})的值。

    法1:并项求和法[此法运算和思维成本最小],由于题目中有(n)次方,故针对(n)分奇偶讨论如下:

    ①当(n)为奇数时,则(n+1)为偶数,

    由题目可知(a_{n+1}-a_n=2n-1),则(a_{n+2}+a_{n+1}=2n+1)[1]

    [解释:(a_{(n+1)+1}+(-1)^{n+1}a_{n+1}=2(n+1)-1)]

    两式相减,得到(a_{n+2}+a_n=2),即从(a_1)开始,相邻两个奇数项为等和数列;

    (a_1+a_3=2)(a_5+a_7=2)(a_9+a_{11}=2)(cdots)(a_{57}+a_{59}=2)

    故前(60)项中的所有奇数项之和为

    (S_{奇}=(a_1+a_3)+(a_5+a_7)+cdots+(a_{57}+a_{59})=15 imes 2=30)

    ②当(n)为偶数时,则(n+1)为奇数,

    由题目可知(a_{n+1}+a_n=2n-1),则(a_{n+2}-a_{n+1}=2n+1)[原因同上],

    两式相加,得到(a_{n+2}+a_n=4n),即每相邻两偶数项之和为等差数列;

    故前(60)项中的所有偶数项之和为

    (S_{偶}=(a_2+a_4)+(a_6+a_8)+cdots+(a_{58}+a_{60}))

    (=4 imes 2+4 imes 6+4 imes 10+cdots+4 imes 58)

    (=4(2+6+10+cdots+58))

    (=4 imescfrac{(2+58) imes 15}{2}=1800)

    (S_{60}=1800+30=1830)

    思路2[摘编自网络,学习变形]:从特殊到一般,

    对于给出的递推数列,在没有找到更好方法之前,通常可以用特殊值法开路,写出前几项,先归纳,再猜想一般的规律。

    (a_1=a),由递推公式(a_{n+1}+(-1)^ncdot a_n=2n-1)

    分别令(n=1,2,3,4,cdots),则有

    (a_2=1+a)(a_3=2-a)(a_4=7-a)(a_5=a)

    (a_6=9+a)(a_7=2-a)(a_8=15-a)(a_9=a)(cdots)

    于是可知,(a_{4k-3}=a)(a_{4k-2}=a+(8k-7))(a_{4k-1}=2-a)(a_{4k}=-a+(8k-1))[2]

    所以,(a_{4k-3}+a_{4k-2}+a_{4k-1}+a_{4k}=16k-6)

    可知每连续四项之和成等差数列,

    (S_{60}=cfrac{15[10+(16 imes 15-6)]}{2}=1830)

    思路3[摘编自网络,学习变形]:分类讨论,

    本题目的难点在于((-1)^n),于是对其分类讨论,并进行适当的构造以及并项。

    (n)为奇数时,(a_{n+1}-a_n=2n-1)

    (n)为偶数时,(a_{n+1}+a_n=2n-1)

    于是(a_{4k}+a_{4k-1}+a_{4k-2}+a_{4k-3}=(a_{4k}-a_{4k-1})+2(a_{4k-1}+a_{4k-2})-(a_{4k-2}-a_{4k-3}))[3]

    (=[2(4k-1)-1]+2[2(4k-2)-1]-[2(4k-3)-1]=16k-6)

    可知每连续四项之和成等差数列,

    (S_{60}=cfrac{15[10+(16 imes 15-6)]}{2}=1830)

    思路4[摘编自网络,学习变形]:利用迭代法,

    对于给出的递推数列问题,应该关注三个技巧----迭加、迭乘、迭代。特别是迭代法,它是直接反复利用递推公式而进行迭代,可以直接运用,从而使得问题得以解决。

    (a_{n+1}+(-1)^ncdot a_n=2n-1)得到[用(n+1)替换左式中的(n)],(a_{n+2}+(-1)^{n+1}cdot a_{n+1}=2(n+1)-1)

    (a_{n+2}=-(-1)^{n+1}cdot a_{n+1}+2n+1)

    (=(-1)^{n}cdot a_{n+1}+2n+1) [将已知式改写为(a_{n+1}=(-1)^{n+1}a_n+2n-1),代入左式,得到下式]

    (=(-1)^n[(-1)^{n+1}a_n+2n-1]+2n+1)

    (=-a_n+(-1)^{n}(2n-1)+2n+1)

    (a_{n+2}+a_n=(-1)^{n}(2n-1)+2n+1)

    也有(a_{n+3}+a_{n+1}=-(-1)^{n}(2n+1)+2n+3)[让上式中(n+1 ightarrow n)得到]

    两式相加得到(a_n+a_{n+1}+a_{n+2}+a_{n+3}=-2(-1)^n+4n+4)

    (k)为整数[或令(n=4k+1)],则

    (a_{4k+1}+a_{4k+2}+a_{4k+3}+a_{4k+4}=-2(-1)^{4k+1}+4(4k+1)+4=16k+10)

    于是(S_{60}=sumlimits_{k=0}^{14}{(a_{4k+1}+a_{4k+2}+a_{4k+3}+a_{4k+4})})[4]

    (=sumlimits_{k=0}^{14}{(16k+10)}=(16 imes 0+10)+(16 imes 1+10)+(16 imes 2+10)+cdots+(16 imes 14+10))

    (=16 imes cfrac{(0+14) imes 15}{2}+150=1830)

    思路5[摘编自网络,学习变形]:构造子数列法,

    ({a_n})既不是等差数列也不是等比数列,但是可以发现其子数列({a_{4k}})({a_{4k-1}})({a_{4k-2}})({a_{4k-3}})是等差数列,于是可对数列({a_n})分项击破,

    (n)为奇数时,(a_{n+1}-a_n=2n-1)

    (n)为偶数时,(a_{n+1}+a_n=2n-1)

    (a_{4k+2}-a_{4k-2}=(a_{4k+2}-a_{4k+1})+(a_{4k+1}+a_{4k})-(a_{4k}-a_{4k-1})-(a_{4k-1}+a_{4k-2}))[5]

    [此处用(a_{4k+2}-a_{4k-2}),是为了求公差;由于前一项为(a_{4k-2}),则其后一项为(a_{4(k+1)-1}=a_{4k+2});同时紧接着的变形既要保证恒等变形还要有效利用上述条件];

    (=[2(4k+1)-1]+(2 imes 4k-1)-[2(4k-1)-1]-[2(4k-2)-1]=8)

    故数列(a_{4k-2})是等差数列,公差为(8),首项为(a_2),所以(a_{4k-2}=a_2+(k-1)8)

    (a_{4k+4}-a_{4k}=(a_{4k+4}-a_{4k+3})+(a_{4k+3}+a_{4k+2})-(a_{4k+2}-a_{4k+1})-(a_{4k+1}+a_{4k}))[6]

    [此处用(a_{4k+4}-a_{4k}),是为了求公差;由于前一项为(a_{4k}),则其后一项为(a_{4(k+1)}=a_{4k+4});同时紧接着的变形既要保证恒等变形还要有效利用上述条件];

    (=[2(4k+3)-1]+[2(4k+2)-1)-[2(4k+1)-1]-[2 imes 4k-1]=8)

    故数列(a_{4k})是等差数列,公差为(8),首项为(a_4),所以(a_{4k}=a_4+(k-1)8)[7]

    同理,(a_{4k+1}-a_{4k-3}=0),故数列({a_{4k-3}})是常数列,故(a_{4k-3}=a_1)

    (a_{4k+3}-a_{4k-1}=0),故数列({a_{4k-1}})是常数列,故(a_{4k-1}=a_3)

    (a_1+a_2+a_3+a_4=(a_4-a_3)+2(a_3+a_2)-(a_2-a_1))

    (=(2 imes 3-1)+2(2 imes 2-1)-(2 imes 1-1)=5+6-1=10);

    于是({a_n})的前(60)项的和(S_{60})

    (S_{60}=(a_1+a_5+a_9+cdots+a_{57})+(a_2+a_6+a_{10}+cdots+a_{58}))[8]

    (+(a_3+a_7+a_{11}+cdots+a_{59})+(a_4+a_8+a_{12}+cdots+a_{60}))

    (=15a_1+(15a_2+840)+15a_3+(15a_4+840))

    (=15(a_1+a_2+a_3+a_4)+1680=1830)

    思路6[摘编自网络,学习变形]:构造等差数列法,

    由上述解法不难看出,本题目的实质是连续四项的和成等差数列,故还可以如下求解:

    (n)为奇数时,(a_{n+1}-a_n=2n-1)

    (n)为偶数时,(a_{n+1}+a_n=2n-1)

    (a_{4k+2}-a_{4k-2}=(a_{4k+2}-a_{4k+1})+(a_{4k+1}-a_{4k})-(a_{4k}-a_{4k-1})-(a_{4k-1}+a_{4k-2}))

    (=[2(4k+1)-1]+(2 imes 4k-1)-[2(4k-1)-1]-[2(4k-2)-1]=8)

    故数列(a_{4k-2})是等差数列,公差为(8),首项为(a_2),所以(a_{4k-2}=a_2+(k-1)8)

    (a_{4k+4}-a_{4k}=(a_{4k+4}-a_{4k+3})+(a_{4k+3}+a_{4k+2})-(a_{4k+2}-a_{4k+1})-(a_{4k+1}+a_{4k}))

    (=[2(4k+3)-1]+[2(4k+2)-1)-[2(4k+1)-1]-[2 imes 4k-1]=8)

    故数列(a_{4k})是等差数列,公差为(8),首项为(a_4),所以(a_{4k}=a_4+(k-1)8)

    同理,(a_{4k+1}-a_{4k-3}=0),故数列({a_{4k-3}})是常数列,故(a_{4k-3}=a_1)

    (a_{4k+3}-a_{4k-1}=0),故数列({a_{4k-1}})是常数列,故(a_{4k-1}=a_3)

    则数列(b_{n+1}=a_{4n+1}+a_{4n+2}+a_{4n+3}+a_{4n+4})

    (=a_{4n-3}+a_{4n-2}+a_{4n-1}+a_{4n}+16=b_n+16)[9]

    (b_{n+1}-b_n=16),又(b_1=a_1+a_2+a_3+a_4=10)

    则数列({b_n})是首项为(10),公差为(16)的等差数列,

    则则(S_{60}=cfrac{15[10+(16 imes 15-6)]}{2}=1830)


    1. ↩︎
    2. 对数列的下标详细说明如下,
      所有正整数若除以(4),就会分为四类,余数分别为(0)(1)(2)(3)
      我们可以将其表达为(4k)(4k+1)(4k+2)(4k+3),此时(kin N)
      还可以这样表达为(4k-3)(4k-2)(4k-1)(4k),此时(kin N^*)
      (a_{4k-3})表达的是(a_1)(a_5)(a_9)(cdots)
      (a_{4k-2})表达的是(a_2)(a_6)(a_{10})(cdots)
      (a_{4k-1})表达的是(a_3)(a_7)(a_{11})(cdots)
      (a_{4k})表达的是(a_4)(a_8)(a_{12})(cdots)↩︎

    3. 上述变形很有特点,这样变形的目的,既要保证恒等变形,还要充分利用上述的条件;
      比如变形((a_{4k}-a_{4k-1}))意味着偶数项减去奇数项,即可以利用(a_{n+1}-a_n=2n-1)
      故有((a_{4k}-a_{4k-1})=2(4k-1)-1),其余都同理; ↩︎

    4. 由于下标的表示形式,故求和时只能从(0 ightarrow 14),不能是(1 ightarrow 15),否则求和会丢掉前面的四项而多算了后面的四项。 ↩︎

    5. ↩︎
    6. ↩︎
    7. 等差数列通项公式的拓展:(a_n=a_m+(n-m)d)
      此处可以这样理解,数列的公差为(8),首项为(a_4),自然能写出(a_4+(k-1)8),关键是和(a_{?})对应;
      我们知道这个数列的首项应该是(a_4),故下标应该用(4k)来表达,故(a_{4k}=a_4+(k-1)8)
      或者这样理解,从原来的母数列中间隔(4)项挑出来的项所组成的新数列的公差为(8),那么回归到母数列里面,
      相当于原来母数列的公差为(2)[当然母数列不是等差数列],这样(a_{4k}=a_4+(4k-4) imes 2=a_4+(k-1)8)
      而不是(a_{4k}=a_4+(4k-4)8);其他同理; ↩︎

    8. 第二组子数列求和,首项是(a_2),公差为(8),项数为(15)项,故(S_{2}=15a_2+cfrac{15(15-1)}{2} imes 8=15a_2+840). ↩︎

    9. (b_{n+1}=a_{4n+1}+a_{4n+2}+a_{4n+3}+a_{4n+4}),用(n-1)替换左式中的(n)
      则得到(b_{n}=a_{4n-3}+a_{4n-2}+a_{4n-1}+a_{4n}),故有(b_{n+1}-b_n=16)↩︎

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