2022年高考數(shù)學(xué)二輪復(fù)習(xí) 第三篇 方法應(yīng)用篇 專題3.2 換元法（講）理

2022年高考數(shù)學(xué)二輪復(fù)習(xí) 第三篇 方法應(yīng)用篇 專題3.2 換元法（講）理 換元法又稱輔助元素法、變量代換法通過引進(jìn)新的變量，可以把分散的條件聯(lián)系起來，隱含的條件顯露出來；或者把條件與結(jié)論聯(lián)系起來；或者變?yōu)槭煜さ男问?，把?fù)雜的計算和推證簡化.縱觀近幾年高考對于轉(zhuǎn)化與化歸思想的的考查，換元法是轉(zhuǎn)化與化歸思想中考查的重點和熱點之一.換元法是解數(shù)學(xué)題時，把某個式子看成一個整體，用一個變量去代替它，使問題得到簡化，變得容易處理.換元法的實質(zhì)是轉(zhuǎn)化，關(guān)鍵是構(gòu)造元和設(shè)元，理論依據(jù)是等量代換，目的是通過換元變換研究對象，將問題移至新對象的知識背景中去研究，從而使非標(biāo)準(zhǔn)型問題標(biāo)準(zhǔn)化、復(fù)雜問題簡單化，可以把分散的條件聯(lián)系起來，隱含的條件顯露出來；或者把條件與結(jié)論聯(lián)系起來；或者變?yōu)槭煜さ男问剑褟?fù)雜的計算和推證簡化.主要考查運用換元法處理以函數(shù)、三角、不等式、數(shù)列、解析幾何為背景的最值、值域或范圍問題，通過換元法把不熟悉、不規(guī)范、復(fù)雜的典型問題轉(zhuǎn)化為熟悉、規(guī)范、簡單的典型問題，起到化隱形為顯性、化繁為簡、化難為易的作用，以優(yōu)化解題過程.要用好換元法要求學(xué)生有較強轉(zhuǎn)化與化歸意識、嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)態(tài)度和準(zhǔn)確的計算能力.從實際教學(xué)來看，換元法是學(xué)生掌握最為模糊，知道方法但不會靈活運用的方法.分析原因，除了換元法比較靈活外，主要是學(xué)生沒有真正掌握換元法的類型和運用其解題的題型與解題規(guī)律，以至于遇到需要換元的題目便產(chǎn)生畏懼心理.本文就高中階段出現(xiàn)換元法的類型與相關(guān)題型作以總結(jié)和方法的探討.學(xué)換元的常見方法有：局部換元、三角換元等，在高考中換元法常適用以下幾種類型：1、 局部換元 局部換元是在已知或者未知中，某個代數(shù)式幾次出現(xiàn)，而用一個字母來代替它從而簡化問題，當(dāng)然有時候要通過變形才能發(fā)現(xiàn). 1.1對于形如的值域（最值）問題，令，化為一元二次函數(shù)在某個區(qū)間上的值域（最值）問題處理.例1【xx屆湖南省岳陽縣第一中學(xué)高三上學(xué)期第一次月考】設(shè)函數(shù)，是定義域為R上的奇函數(shù)（1）求的值；（2）已知，函數(shù)，求的值域；（3）若，試問是否存在正整數(shù)，使得對恒成立？若存在，請求出所有的正整數(shù)；若不存在，請說明理由【答案】（1）（2）（3）【解析】試題分析：試題解析：（1）先利用為上的奇函數(shù)得求出以及函數(shù)的表達(dá)式，（2）先由得，得出函數(shù)的單調(diào)性，再對進(jìn)行整理，整理為用表示的函數(shù)，最后利用函數(shù)的單調(diào)性以及值域，得到的值域（3）利用換元法，將不等式轉(zhuǎn)化為對勾函數(shù)問題求解，注意分類討論思想的應(yīng)用 （3）=，假設(shè)存在滿足條件的正整數(shù)，則，當(dāng)時，當(dāng)時，則，令，則，易證在上是增函數(shù)，當(dāng)時，則，令，則，易證在上是減函數(shù)，綜上所述，是正整數(shù)，=3或4存在正整數(shù)=3或4，使得對恒成立1.2、分式型函數(shù)利用均值不等式求最值問題(局部換元)；例2【xx屆上海市長寧、嘉定區(qū)高三一?！恳阎瘮?shù)（1）求證：函數(shù)是偶函數(shù)；（2）設(shè)，求關(guān)于的函數(shù)在時的值域的表達(dá)式；（3）若關(guān)于的不等式在時恒成立，求實數(shù)的取值范圍【答案】（1）見解析（2）（3） 【解析】試題分析：（1）判斷定義域是否關(guān)于原點對稱，計算判斷其與的關(guān)系； （2）令，故，換元得，轉(zhuǎn)化為二次函數(shù)，分類討論求其最值即可；（3）由，得，即恒成立，求其最值即可.試題解析：（1）函數(shù)的定義域為，對任意， ，所以，函數(shù)是偶函數(shù)（2），令，因為，所以，故，原函數(shù)可化為， ，圖像的對稱軸為直線，當(dāng)時，函數(shù)在時是增函數(shù)，值域為； 當(dāng)時，函數(shù)在時是減函數(shù)，在時是增函數(shù)，值域為綜上， （3）由，得， 當(dāng)時， ，所以，所以，所以， 恒成立 令，則， ，由，得，所以， 所以， ，即的取值范圍為 1.3、常數(shù)換元 例3.【xx屆江蘇省南京師范大學(xué)附屬中學(xué)、天一、海門、淮陰四校高三聯(lián)考】已知，則的值為_【答案】【解析】由題意得，解得答案： .1.4.復(fù)合函數(shù)中的換元 例4.已知函數(shù)，其中且，（I）若，且時，的最小值是2,求實數(shù)的值；（II）若，且時，有恒成立，求實數(shù)的取值范圍.【答案】（I）；（II）.【解析】（I），2分易證在上單調(diào)遞減，在上單調(diào)遞增，且，3分當(dāng)時，由，解得（舍去）4分當(dāng)時，由，解得.5分綜上知實數(shù)的值是.6分 .11分故實數(shù)的取值范圍為.12分1.5.局部換元法與不等式 局部換元法在解關(guān)于某個函數(shù)的不等式和復(fù)雜的不等式證明中，經(jīng)常用到，通過換元將復(fù)雜的不等式問題轉(zhuǎn)化為簡單不等式、超越不等式化為一般不等式，將不熟悉的不等式問題轉(zhuǎn)化為熟悉的不等式問題,如在解可化為形式為不等式時，常令，將復(fù)雜不等式化為一元二次不等式，解出t的范圍，再解不等式關(guān)于的簡單不等式.例5.【xx屆甘肅省西北師范大學(xué)附屬中學(xué)】在等腰梯形中，其中，以為焦點且過點的雙曲線的離心率為，以為焦點且過點的橢圓的離心率為，若對任意都有不等式恒成立，則的最大值為（ ）A. B. C. D. 【答案】C 例6.【xx屆福建省南平市高三上學(xué)期第一次綜合質(zhì)量檢查（2月）】已知實數(shù)滿足，求的取值范圍_【答案】【解析】作出可行域如圖所示： 令表示可行域內(nèi)的點到原點的斜率，由圖聯(lián)立直線可得.易知在單調(diào)遞減，在單調(diào)遞增.時， ， 時， ， 時， ，所以.故答案為： .1.6 局部換元法與數(shù)列在已知數(shù)列遞推公式求出通項公式中，常用到構(gòu)造等比或等差數(shù)列法，其實質(zhì)就是換元法，證明與數(shù)列有關(guān)的不等式，其實質(zhì)就是求數(shù)列的最值，也常用到換元法.例7.已知在數(shù)列中，當(dāng)時，其前項和滿足。() 求的表達(dá)式；() 設(shè)，數(shù)列的前項和證明【答案】() ；() 見解析. 【解析】 (1)當(dāng)時，代入，得，由于，所以，令=，則=2，所以是首項為，公差為2的等差數(shù)列，所以=，所以 (2) 所以1.7局部換元法與圓錐曲線聯(lián)系對圓錐曲線的最值問題或取值范圍問題，常轉(zhuǎn)化為函數(shù)的最值問題，當(dāng)函數(shù)解析式較為復(fù)雜時，常用換元法進(jìn)行轉(zhuǎn)化.例8.等腰直角內(nèi)接于拋物線，為拋物線的頂點，的面積是16，拋物線的焦點為，若是拋物線上的動點，則的最大值為（ ）A B C D【答案】C【解析】因為等腰直角內(nèi)接于拋物線，為拋物線的頂點， 所以，可設(shè)，得，將代入，得，拋物線的方程為，所以，設(shè)，則，設(shè)，則，時，“” 成立.故選C. 例9.平面內(nèi)動點P(x，y)與兩定點A(-2, 0), B(2,0)連線的斜率之積等于，若點P的軌跡為曲線E，過點 直線 交曲線E于M，N兩點（）求曲線E的方程，并證明：MAN是一定值；（）若四邊形AMBN的面積為S，求S的最大值【答案】（）,證明見解析 ()16.【解析】（）設(shè)動點P坐標(biāo)為，當(dāng)時，由條件得：，化簡得，曲線E的方程為，, 由題可設(shè)直線的方程為,聯(lián)立方程組可得 ,化簡得： 設(shè),則， 又,則 , 所以,所以的大小為定值 ()，令設(shè)在上單調(diào)遞減 由，得K=0，此時有最大值16.2.三角換元在求函數(shù)值域（最值）或不等式證明中，若變量范圍為（0,1）或-1,1 ，利用與三角函數(shù)值域相似性，可設(shè)或；若二元函數(shù)二元滿足的條件可化為平方和為1的形式,利用與正余弦的平方和為1的相似性，可以用三角代換，化二元函數(shù)為三角函數(shù)的值域（最值）問題求解，把二元函數(shù)化為一元函數(shù)，把不熟悉的二元函數(shù)函數(shù)問題轉(zhuǎn)化為熟悉的三角函數(shù)問題，實質(zhì)上圓的參數(shù)方程，橢圓的參數(shù)方程就是三角代換，利用三角換元，可以去根號，也可以把二元函數(shù)化為一元函數(shù)求解.如求函數(shù)y的值域時，易發(fā)現(xiàn)x0,1，設(shè)，0,，問題變成了熟悉的求三角函數(shù)值域. 例10.設(shè)實數(shù)x，y，m，n滿足x2y21，m2n23，那么mxny的最大值是( ) A. B2 C. D.2(10)【答案】A.【解析】設(shè)xsin，ycos，msin，ncos，其中，(0°，180°)mxnysinsincoscoscos()故選A項例11.已知實數(shù)x、y滿足方程x2y24x10. (1)求yx的最大值和最小值；(2)求x2y2的最大值和最小值；【答案】（1）最小值，最大值.（2）最大值，最小值. （2）由(1)知x2y2(2cos)2(sin)274cos.當(dāng)2k(kZ)時，x2y2有最大值，2k(kZ)時，x2y2有最小值.【反思提升】（1）在用換元法處理不等式時，先將不等式化簡看是否是某個函數(shù)的不等式問題，若是，常將這個函數(shù)換元.（2）在利用構(gòu)造法求數(shù)列通項公式時，常用換元法.（3）對復(fù)合函數(shù)的零點問題或關(guān)于某個函數(shù)的方程解得個數(shù)問題，常用換元法，令內(nèi)函數(shù)為t或方程中的函數(shù)為t,把復(fù)合函數(shù)的零點問題轉(zhuǎn)化為外函數(shù)的零點問題和內(nèi)函數(shù)已知函數(shù)值求值問題；將復(fù)雜方程轉(zhuǎn)化為兩個簡單方程問題.