浅谈“等价变换”在解题中的作用

时间:2022-10-15 03:04:33

所谓等价变换,是把问题A变更为与之等价的新问题B,即问题A的结果与问题B的结果完全一致,问题A与问题B是可以相互推导的。等价变换则是一种常见的十分重要的数学思想方法,本文通过举例可看出它在解题中的地位和作用。

1.同解原则

在解方程(组)的过程中,必须进行合理的推算、化繁为简,才能得到最后的结果,同解原理则是合理推算的理论根据,只要每一步推算都是同解变换,最后结果一定是问题的解,是无须验证的。但是在解某类方程(组)时,我们只要在变量的限定范围内求解,所得结果无疑仍然是问题的解,因为这样的推算是等价的。

例:解议程组〖JB({〗〖KF(〗x+〖SX(〗1〖〗y〖SX)〗〖KF)〗+〖KF(〗x+y-3〖KF)〗=3 ①

2+2xy-8y+1=0 ②〖JB)〗

解:因为 中y ≠ 0两边同除以y,得

y+2x-8+〖SX(〗1〖〗y〖SX)〗=0即(x+〖SX(〗1〖〗y〖SX)〗)+(x+y-3)=5

令〖KF(〗x+〖SX(〗1〖〗y〖SX)〗〖KF)〗=u、〖KF(〗x+y-3〖KF)〗=v

则原议程组可变为〖JB({〗u+v=3 ③ u2+v2=5 ④〖JB)〗

解之得〖JB({〗u1=2v1=1〖JB)〗 〖JB({〗u2=1v2=2〖JB)〗

〖JB({〗x+〖SX(〗1〖〗y〖SX)〗=4 ⑤

x+y-3=4 ⑥〖JB)〗

〖JB({〗x+〖SX(〗1〖〗y〖SX)〗=1 ⑦

x+y-3=4 ⑧〖JB)〗

解:⑤、⑥得〖JB({〗x1=3y1=1〖JB)〗 〖JB({〗x2=5y2=-1〖JB)〗

解:⑦、⑧得〖JB({〗x3=4-〖KF(〗10〖KF)〗y3=3+〖KF(〗10〖KF)〗〖JB)〗

〖JB({〗x4=4+〖KF(〗10〖KF)〗y4=3-〖KF(〗10〖KF)〗〖JB)〗

故原方程组有四种解:

〖JB({〗x1=3y1=1〖JB)〗 〖JB({〗x2=5y2=-1〖JB)〗 〖JB({〗x3=4-〖KF(〗10〖KF)〗y3=3+〖KF(〗10〖KF)〗〖JB)〗 〖JB({〗x4=4+〖KF(〗10〖KF)〗y4=3-〖KF(〗10〖KF)〗〖JB)〗。

此方程组无通法求解但通过现观察比较,巧妙地将②式两边同除以y,就得到于①式具有相同的形式,再借助换元法把复杂问题简单化――化成普通常见的二元二次方程组求解。

2.变换命题的结论

一般地说,综合题的解法是不甚明显的,需要联想,通过实验,才能探明解题思路。而等价变换命题的结论,可化繁为简、化难为易,从而启发我们寻找解题思路。

例2:试证,没有整数a、b、c,满足a2+b2-8c=6

分析:已知条件抽象,不便于使用,通过变换命题的结论,由a2+b2-8c=6,变形为a2+b2=8c+6问题就转化为,证明没有两个整数的平方和被8除余6,根据数的整数性质,问题即可得证。

证明:每个整数都具有下列形式之一:4n、4n+1、4n+2、4n+3,它们的平方分别是:16n2、16n2+8n+1、16n2+16n+4、16n2+24n+9,它们被8除的余数是0,1、4而这三个数的余数的任意两数(可以相同)的和都不等于6。

a2+b2≠8c+6,即没有整数a、c、b,满足a2+b2=8c+6 成立。

3.变换等价命题

凡有一定难度的题目,不是假设条件不明显,就是条件与结论相距太远,有的甚至难以理解题意。在这种情况下,将原命题变换为与之等价的命题,可以帮助我们寻找解题思路,探索一条由假设条件通向所求结论的逻辑“通道”。

例3:设a、b、c互不相等,试证,不论x为何实数〖SX(〗(x-b)(x-c)〖〗(a-b)(a-c)〖SX)〗+〖SX(〗(x-c)(x-a)〖〗(b-c)(b-a)〖SX)〗+〖SX(〗(x-a)(x-b)〖〗(c-a)(c-b)〖SX)〗=1恒成立。

分析:若按通常证明恒等式的方法,推算是比较繁的,我们知道方程与函数是有密切关系的,这里要证明的等式是关于x的二次方程,于是可设辅助(二次)函数P(x),其图像与x轴最多只有两个交点,若P(x1)=P(x2)=P(x3)=0,则P(x)=0。利用此结论,问题即可得证:

证明:

令P(x)=〖SX(〗(x-b)(x-c)〖〗(a-b)(a-c)〖SX)〗+〖SX(〗(x-c)(x-a)〖〗(b-c)(b-a)〖SX)〗+〖SX(〗(x-a)(x-b)〖〗(c-a)(c-b)〖SX)〗-1

P(a) =P(b) =P(c) =0

而P(x) 是二次多项式,它的根不多于2个,故只能有P(x) =0即〖SX(〗(x-b)(x-c)〖〗(a-b)(a-c)〖SX)〗+〖SX(〗(x-c)(x-a)〖〗(b-c)(b-a)〖SX)〗+〖SX(〗(x-a)(x-b)〖〗(c-a)(c-b)〖SX)〗=1 时任何实数x恒成立。

通过等价变换把难似无从下手的题目简单化了,不愧是一条对“题深”而解法“浅出”的好方法。

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