分類與討論

1.       分類討論的規(guī)則

解題總是在一定的范圍(論域)進(jìn)行的.解題中有時要將題目條件包含的全體對象分成若干類,然后逐類討論,才能得出正確的解答.因此,分類討論是數(shù)學(xué)解題中的一個重要內(nèi)容.

(1)    分類的規(guī)則  分類時首先要明確分類的對象和分類的標(biāo)準(zhǔn).有時還要對第一次分出的各類進(jìn)行再分類,這就是第二級分類,類似地有第三級分類、第四級分類、……，這種進(jìn)行多次分類的現(xiàn)象叫做連續(xù)分類.合理的分類不但是正確解題的基礎(chǔ)，而且是簡捷解題的出發(fā)點(diǎn).

分類的原則是：不重不漏，即每一個題設(shè)包含的對象都必須在而且只在所分的一類中.為此，分類時必須做到：

①     一次分類只按一個標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行；

②     連續(xù)分類按層次逐級進(jìn)行.

（2）枚舉和討論  解決需要討論的問題的方法是枚舉，枚舉的基礎(chǔ)是正確分類.

例1          求出所有的自然數(shù)n，使三個整數(shù)n，n+8，n+16都為質(zhì)數(shù).

解  現(xiàn)將所有自然數(shù)n按模為3的剩余類分成三類：

n=3k，3k+1，3k+2.

當(dāng)n=3k時，只有k=1時，三個整數(shù)（3，11，19）都是質(zhì)數(shù)；

當(dāng)n=3k+1時，n+8=3k+1+8=3（k+3）不是質(zhì)數(shù)；

當(dāng)n=3k+2時，n+16=3k+2+16=3（k+6）不是質(zhì)數(shù).

所以滿足題設(shè)的自然數(shù)只有一個3.

2．分類討論舉例

下面我們用分類討論的思想方法來解決一些國內(nèi)外數(shù)學(xué)競賽問題.

例2          （第4屆加拿大中學(xué)生競賽題）設(shè)a和n是相異的實(shí)數(shù)，證明存在整數(shù)m和n使得am+bn＜0，bm+an＞0.

證明  既然a，b為相異實(shí)數(shù)，那么必有a-b＜0或a-b＞0.

當(dāng)a-b＜0時，就取m=1，n=-1，驗(yàn)證和滿足所給不等式；

當(dāng)a-b＞0時，就取m=-1，n=1，顯然也滿足所給不等式.

例3          （1956年上海市競賽題）從1到100這一百個自然數(shù)中，每次取2個，要它們的和大于100，有多少種取法？

解  因?yàn)槊看嗡�取的兩�?shù)不等，所以可以按較大（或較小）的數(shù)的取值來分類考慮：

較大的數(shù)取100時，另一數(shù)有99種取法；

較大的數(shù)取99時，另一數(shù)有97種取法；

……

較大的數(shù)取51時，另一數(shù)有一種取法；而50以下的任何兩數(shù)都不能組成符合條件的數(shù)對，故共有1+3+5…+97+99=2500種取法.

按照某個確定的自然數(shù)為模的剩余類分類是數(shù)學(xué)競賽中經(jīng)常出現(xiàn)的問題之一.

例4          求證：從任意n個整數(shù)a₁，a₂，…，a_n中，一定可以找到若干個數(shù)，使它們的和可被n整除.

證明  考察如下的n個和，a₁，a₁+a₂，a₁+a₂+a₃，…，a₁+a₂+…+a_n.

若其中至少有一個能被n的整除，則結(jié)論成立；

若其中沒有一個能被n整除；則將他們按模n的剩余類至多可分為余數(shù)為1，余數(shù)為2，…，余數(shù)為n-1的n-1個類.因此,這幾個整數(shù)中至少有兩個整數(shù)a₁+a₂+…+ak和a₁+a₂+a₃+a_k+…+a_l（l＞k）對模n有相同的余數(shù).

這時和數(shù)a_k+1+…+a_l=（a₁+a₂+…+a_k+…+a₁）-（a₁+a₂+…+a_k）顯然可被n整除，即結(jié)論成立.

說明：本例通過分類制造“抽屜”，體現(xiàn)了分類思想有“抽屜原則”的完美結(jié)合.

在給定的幾何條件下，由于圖形的形狀或位置不同含有不同的結(jié)果或需用不同的方法處理，這就引出了幾何中的分類討論問題.

例5  （1989年武漢、廣州等五市初中數(shù)學(xué)聯(lián)賽題）△ABC中，∠C=，BM是中線，AC=2a，若沿BM將三角形對折起來，那個兩個小三角形ABM和BCM重疊部分的面積恰好等于△ABC面積的四分之一.試求△ABC的面積.

解①若原三角形中，∠ABM＞∠CBM，則對折后如圖28-1，其中是對折后C點(diǎn)所落位置，△BMD是重疊部分.依題意得

∴即D為AM的中點(diǎn).

又

∴D是BC的中點(diǎn).

由∠ADB=∠MD知，△ABD≌△MD，∴AB=M=CM=.而∠ACB=，∴∠ABC=.

由AC=2a，可得AB=a，BC=

∴

（2）若原三角形中∠ABM＜∠CBM，對折后如圖28-2.如上證明，可得D為AB，M的中點(diǎn).

∴于是BC=B=a.

過B作△ABC的高BE.∵∠ACB=，

∴

∴  

（3）顯然，∠ABM=∠CBM不合題意.

列6 設(shè)一條曲線的兩端在單位正方形的周界上；并且這條曲線將正方形分成面積相等的兩部分.證明這條曲線的長度不小于1.

證明  （如圖28-3）設(shè)曲線PQ分正方形ABCD為面積相等的兩部分S₁，S₂.又M、N、E、F分別為正方形的邊的中點(diǎn).因的面積，故曲線PQ與線段MN、EF、AC、BD必各至少有一個公共點(diǎn).現(xiàn)按P、Q的位置來分類討論.

不失一般性，不妨設(shè)P在AB上，這時，

①     Q在對邊CD上（圖28-4）.如上所述,曲線PQ與MN至少有一公共點(diǎn)(設(shè)為R),則PQ=PR+RQ≥PR+RQ≥MR+RN=MN=1，此時結(jié)論正確.

②     Q在AB上（圖28-5）.設(shè)曲線PQ與線段EF的一個公共點(diǎn)為R.以EF為對稱軸作出PR的對稱圖形，則曲線PQ與曲線等長.由①知≥1，故PQ≥1，此時結(jié)論也正確.

③     Q在鄰邊BC或AD之一上（圖28-6）.令曲線PQ與AC的一個公共點(diǎn)為R，以AC為對稱軸作出RQ的對稱圖形，則曲線PQ與等長.由①知，此時結(jié)論亦成立.

綜上述，對符合條件的任意位置的P、Q均有所述結(jié)論.

練習(xí)二十八

1．  選擇題

（1）如果a、b為不超過10的自然數(shù)，那么能使方程ax=b的解大于而小于的a、b有（   ）.

（A）      五組  （B）四組 （C）三組  （D）兩組

（2）（1984年重慶初中競賽題）如果α、β、γ是三角形三內(nèi)角，x=α+β，y=β+γ，z=γ+α，那么x，y，z中銳角個數(shù)的錯誤判斷應(yīng)是（   ）.

（A）      可能沒有銳角  （B）可能有一個銳角

（C）可能有兩個銳角  （D）最多有一個銳角

（3）（1978年重慶競賽題）a、b、c是三角形三邊，由a-b＜c可導(dǎo)出（   ）.

（A）＜c²（B）a²-b²＞c²（C）a²-b²=c²（D）以上結(jié)論都不對

2．（1989年吉林初中預(yù)選賽試題）已知n（n≥2）個相異自然數(shù)的和與積相等，求此n的值及n個自然數(shù).

3．（第4屆加拿大中學(xué)生競賽試題）證明方程x³+11³=y³沒有x   和y的正整數(shù)解.

4．（1983年上海初中競賽題）已知△ABC中∠B為銳角.從頂點(diǎn)A向邊BC或它的延長線引垂線，交BC于H，又從頂點(diǎn)C向邊AB或它的延長線引垂線交AB于K點(diǎn).試問當(dāng)2BH：BC、2BK：BA是整數(shù)時，△ABC是怎樣三角形？證明你的結(jié)論.

5.(1984年西安初中競賽題)求證n⁵-n可被30整除(n∈整數(shù)).

6．（1978年重慶競賽題）設(shè)△ABC中，AB=AC，P為該三角形內(nèi)一點(diǎn)，且∠APB＞∠APC.用間接證法證明:∠BAP＜∠CAP.

7．（1957年上海競賽題）設(shè)自然數(shù)62αβ427為99的倍數(shù)，求α、β.

8．（莫斯科比賽大會預(yù)習(xí)題）求多項(xiàng)式x²+βx+q的使它在區(qū)間[-1，1]上的絕對值為極大值的最小值.

9．證明內(nèi)接平行四邊形的三角形的面積不可能大于這個平行四邊形面積的一半.

10．（第7屆加拿大中學(xué)競賽題）對每個實(shí)數(shù)γ，[γ]表示小于或等于γ的最大整數(shù)，例如[6]=6，[π]=3，[-1.5]=-2.在（x，y）平面上指出滿足[x]²+[y]²=4的一切點(diǎn)（x，y）.