一、集合与常用逻辑用语
1.1 集合的基本概念
集合是数学中最基本的概念之一,指具有某种特定性质的事物的总体。集合中的每一个事物称为该集合的元素。
集合的特征:
- 确定性:集合中的元素必须是确定的,不能模棱两可
- 互异性:集合中的元素互不相同(同一个元素不能重复出现)
- 无序性:集合中的元素没有先后顺序
集合的表示方法:
- 列举法:将元素一一列出,如 A = {1, 2, 3, 4, 5}
- 描述法:用元素的共同特征表示,如 B = {x | x² - 1 = 0}
- 图示法:用 Venn 图表示集合间的关系
- 区间表示法:连续数集可用区间表示,如 (0,1]、[-2,3)
常用数集符号:
N — 自然数集(非负整数集):{0, 1, 2, 3, ...}
N* 或 N₊ — 正整数集:{1, 2, 3, ...}
Z — 整数集:{..., -2, -1, 0, 1, 2, ...}
Q — 有理数集
R — 实数集
C — 复数集
区间的表示:
闭区间 [a,b] = {x | a ≤ x ≤ b}
开区间 (a,b) = {x | a < x < b>
半开区间 [a,b) = {x | a ≤ x < b},(a,b] = {x | a < x ≤ b}
无穷区间 [a,+∞)、(-∞,b)、(-∞,+∞) = R
1.2 集合间的关系
子集:
若集合 A 中的每一个元素都是集合 B 的元素,则称 A 是 B 的子集,记作 A ⊆ B(或 B ⊇ A)。
真子集:
若 A ⊆ B 且 A ≠ B(即 B 中至少有一个元素不在 A 中),则称 A 是 B 的真子集,记作 A ⊊ B。
集合相等:
若 A ⊆ B 且 B ⊆ A,则 A = B。即两个集合的元素完全相同。
空集:
💡 重要性质
∅ 是任何集合的子集:∅ ⊆ A(对任意集合 A)
∅ 是任何非空集合的真子集:∅ ⊊ A(A ≠ ∅)
子集个数公式:
若集合 A 有 n 个元素,则:
子集个数 = 2ⁿ
真子集个数 = 2ⁿ - 1
非空子集个数 = 2ⁿ - 1
非空真子集个数 = 2ⁿ - 2
1.3 集合的运算
交集:
A ∩ B = {x | x ∈ A 且 x ∈ B}
性质:A ∩ A = A,A ∩ ∅ = ∅,A ∩ B = B ∩ A,A ∩ B ⊆ A,A ∩ B ⊆ B
并集:
A ∪ B = {x | x ∈ A 或 x ∈ B}
性质:A ∪ A = A,A ∪ ∅ = A,A ∪ B = B ∪ A,A ⊆ A ∪ B,B ⊆ A ∪ B
补集(全集 U):
∁ᵤA = {x | x ∈ U 且 x ∉ A}
性质:A ∪ ∁ᵤA = U,A ∩ ∁ᵤA = ∅,∁ᵤ(∁ᵤA) = A,∁ᵤU = ∅,∁ᵤ∅ = U
德摩根定律:
∁ᵤ(A ∩ B) = (∁ᵤA) ∪ (∁ᵤB)(交的补等于补的并)
∁ᵤ(A ∪ B) = (∁ᵤA) ∩ (∁ᵤB)(并的补等于补的交)
容斥原理:
card(A ∪ B) = card(A) + card(B) - card(A ∩ B)
card(A ∪ B ∪ C) = card(A) + card(B) + card(C) - card(A∩B) - card(B∩C) - card(A∩C) + card(A∩B∩C)
1.4 常用逻辑用语
命题及其关系:
- 原命题:若 p,则 q
- 逆命题:若 q,则 p
- 否命题:若 ¬p,则 ¬q
- 逆否命题:若 ¬q,则 ¬p
💡 重要结论
原命题与逆否命题等价(同真同假);逆命题与否命题等价。
原命题与逆命题、原命题与否命题的真假性无必然联系。
充分条件与必要条件:
- 充分不必要条件:p → q 但 q ↛ p
- 必要不充分条件:q → p 但 p ↛ q
- 充要条件:p ↔ q(p 与 q 等价)
- 既不充分也不必要条件:p ↛ q 且 q ↛ p
⚠️ 易错点
判断充分性、必要性时,注意是谁推谁。"p 是 q 的什么条件" 即判断 p → q 和 q → p。
全称量词与存在量词:
全称命题:∀x ∈ M, p(x)(对 M 中所有 x,p(x) 成立)
特称命题:∃x₀ ∈ M, p(x₀)(存在 M 中的 x₀,使 p(x₀) 成立)
否定形式:
¬(∀x ∈ M, p(x)) = ∃x₀ ∈ M, ¬p(x₀)
¬(∃x₀ ∈ M, p(x₀)) = ∀x ∈ M, ¬p(x)
逻辑联结词:
- "且" (∧):p∧q 为真 ⟺ p 真且 q 真
- "或" (∨):p∨q 为假 ⟺ p 假且 q 假
- "非" (¬):¬p 与 p 真假相反
📝 例题
已知集合 A = {x | x² - 3x + 2 = 0},B = {x | x² - ax + a - 1 = 0},若 A ∪ B = A,求 a 的取值范围。
解:A = {1, 2},因为 A ∪ B = A,所以 B ⊆ A。
B 的方程 x² - ax + (a-1) = 0 可分解为 (x-1)(x-(a-1)) = 0,
所以 B 的元素为 1 和 a-1。
① B = {1}(两根相同):a-1 = 1,a = 2,此时 B = {1} ⊆ A ✓
② B = {2}:1 = 2(不成立)
③ B = {1,2}:a-1 = 2,a = 3,此时 B = {1,2} = A ⊆ A ✓
④ B = ∅:判别式 Δ < 0,a² - 4(a-1) < 0,a² - 4a + 4 < 0,(a-2)² < 0,无解。
∴ a = 2 或 a = 3。
📝 例题(充要条件)
判断:"x > 1" 是 "x² > 1" 的什么条件?
解:
x > 1 → x² > 1 ✓(充分性成立)
x² > 1 → x > 1 或 x < -1,所以 x² > 1 ↛ x > 1 ✗(必要性不成立)
∴ "x > 1" 是 "x² > 1" 的充分不必要条件。
二、函数
2.1 函数的概念
设 A、B 是两个非空数集,如果按照某种对应法则 f,对于集合 A 中的每一个元素 x,在集合 B 中都有唯一确定的元素 y 与之对应,则称 f: A → B 为从 A 到 B 的一个函数,记作 y = f(x),x ∈ A。
函数的三要素:
- 定义域:自变量 x 的取值范围
- 值域:函数值 y 的取值范围
- 对应法则:x 与 y 之间的对应关系 f
💡 两个函数相等的条件
定义域相同,且对应法则相同(值域自然相同)。
求定义域的常见规则:
① 分母不为 0
② 偶次根号下 ≥ 0
③ 对数的真数 > 0
④ 对数的底数 > 0 且 ≠ 1
⑤ tan x 中 x ≠ π/2 + kπ
⑥ x⁰ 中 x ≠ 0
⑦ 实际问题中的隐含条件(如边长 > 0)
求值域的方法:
- 观察法:简单函数直接观察
- 配方法:二次函数通过配方求最值
- 判别式法:将 y = f(x) 变形为关于 x 的方程,利用 Δ ≥ 0
- 换元法:令 t = g(x),转化为关于 t 的函数
- 单调性法:利用函数单调性求最值
- 导数法:利用导数求极值和最值
- 不等式法:利用基本不等式
- 数形结合法:利用函数图像
2.2 函数的基本性质
(1)单调性
设函数 f(x) 在区间 D 上有定义,对于 D 上任意两个值 x₁, x₂,当 x₁ < x₂ 时:
- 若 f(x₁) < f(x₂),则 f(x) 在 D 上为增函数(单调递增)
- 若 f(x₁) > f(x₂),则 f(x) 在 D 上为减函数(单调递减)
💡 判断单调性的方法
①
定义法:
取值→作差→变形→判号→结论
②
导数法:
f'(x) > 0 则增,f'(x) < 0 则减
③
复合函数法:
"同增异减"(内外层单调性相同则增,相反则减)
④
图像法:
观察函数图像的升降趋势
⚠️ 注意
单调区间不能取并集!例如 y = 1/x 在 (-∞,0) 和 (0,+∞) 上分别递减,但不能说在 (-∞,0)∪(0,+∞) 上递减。
(2)奇偶性
设函数 f(x) 的定义域关于原点对称(这是奇偶性的必要条件):
- 偶函数:对于定义域内的任意 x,都有 f(-x) = f(x)。图像关于 y 轴对称。
- 奇函数:对于定义域内的任意 x,都有 f(-x) = -f(x)。图像关于原点对称。若 0 在定义域内,则 f(0) = 0。
奇偶性的判断方法:
- 检查定义域是否关于原点对称
- 比较 f(-x) 与 f(x)、-f(x) 的关系
- 或计算 f(x) + f(-x) 和 f(x) - f(-x)
- 对称轴在区间左侧:端点取最值
- 对称轴在区间内:顶点取最值,再比较两端点
- 对称轴在区间右侧:端点取最值
- 所有幂函数都过点 (1, 1)
- α > 0 时:过原点,在 (0,+∞) 上递增
- α < 0 时:不过原点,在 (0,+∞) 上递减,x→0 时 y→∞(渐近线 x=0, y=0)
- α 为正偶数时:定义域 R,为偶函数
- α 为正奇数时:定义域 R,为奇函数
- 原函数与反函数的图像关于直线 y = x 对称
- 原函数的定义域 = 反函数的值域
- 原函数的值域 = 反函数的定义域
- 若 f(a) = b,则 f⁻¹(b) = a
- 单调函数一定有反函数
- 定义域:R;值域:(0, +∞)
- 过定点:(0, 1)——即 a⁰ = 1
- a > 1 时:在 R 上单调递增,x→+∞ 时 y→+∞,x→-∞ 时 y→0
- 0 < a < 1 时:在 R 上单调递减,x→+∞ 时 y→0,x→-∞ 时 y→+∞
- 函数值恒为正(y > 0)
- 底数越大(a>1),图像在第一象限越高(x>0时)
- 定义域:(0, +∞);值域:R
- 过定点:(1, 0)——即 logₐ1 = 0
- a > 1 时:在 (0, +∞) 上单调递增
- 0 < a < 1 时:在 (0, +∞) 上单调递减
- 底数 a > 1 时,a 越大在第一象限越靠近 x 轴
- 化为标准形式(a > 0)
- 计算判别式 Δ = b² - 4ac
- 求方程 ax² + bx + c = 0 的根
- 根据 Δ 的值确定解集
- 二次项系数是否为 0
- 判别式 Δ 的符号
- 两根的大小关系
- 根与特定区间的关系
- 定义法(零点分段法):找到零点,分段讨论
- 平方法:两边都非负时可平方
- 公式法:利用上述公式
- 画出可行域(不等式组表示的平面区域)
- 确定目标函数 z = ax + by
- 平移目标函数直线 y = -(a/b)x + z/b,找到最优解对应的顶点
- b = 0 时,z = a 为实数
- b ≠ 0 时,z 为虚数
- a = 0, b ≠ 0 时,z = bi 为纯虚数
- 正弦线:MP(有向线段,从 x 轴到终点的竖直距离)
- 余弦线:OM(从原点到 M 点的水平距离)
- 正切线:AT(过点 A(1,0) 的切线上截取的线段)
- 定义域:R;值域:[-1, 1]
- 周期:T = 2π
- 奇函数(关于原点对称)
- 增区间:[-π/2 + 2kπ, π/2 + 2kπ]
- 减区间:[π/2 + 2kπ, 3π/2 + 2kπ]
- 对称轴:x = π/2 + kπ
- 对称中心:(kπ, 0)
- 定义域:R;值域:[-1, 1]
- 周期:T = 2π
- 偶函数(关于 y 轴对称)
- 增区间:[-π + 2kπ, 2kπ]
- 减区间:[2kπ, π + 2kπ]
- 对称轴:x = kπ
- 对称中心:(π/2 + kπ, 0)
- 定义域:{x | x ≠ π/2 + kπ}
- 值域:R
- 周期:T = π
- 奇函数
- 在每个开区间 (-π/2 + kπ, π/2 + kπ) 上单调递增
- 对称中心:(kπ/2, 0)
- 无对称轴
- 渐近线:x = π/2 + kπ
- y = sin x → y = sin(x + φ):左移 φ(φ>0)
- → y = sin(ωx + φ):横坐标缩为 1/ω
- → y = Asin(ωx + φ):纵坐标扩大 A 倍
- → y = Asin(ωx + φ) + B:上移 B
- y = sin x → y = sin ωx:横坐标缩为 1/ω
- → y = sin(ωx + φ):左移 φ/ω(注意是 φ/ω 不是 φ!)
- 后续同上
- 已知两角一边(AAS 或 ASA)
- 已知两边和其中一边的对角(SSA,可能有两解、一解或无解)
- 已知三边,求角(SSS)
- 已知两边及其夹角,求第三边(SAS)
- 列举法:a₁, a₂, a₃, ...
- 通项公式:aₙ = f(n)
- 递推公式:aₙ = g(aₙ₋₁) 或 aₙ = g(aₙ₋₁, aₙ₋₂)
- 前 n 项和 Sₙ 与 aₙ 的关系
- 图示法(散点图)
- 模:向量的长度,记作 |a→|
- 零向量:长度为 0 的向量,记作 0→,方向任意
- 单位向量:模为 1 的向量,a→ 方向的单位向量 = a→/|a→|
- 相等向量:大小相等、方向相同的向量
- 相反向量:大小相等、方向相反的向量
- 共线向量(平行向量):方向相同或相反的向量,记作 a→ ∥ b→
- d > r:相离(无交点)
- d = r:相切(一个交点,切线)
- d < r:相交(两个交点)
- 建立坐标系(选合适的坐标系)
- 设曲线上任意一点 M(x, y)
- 写出 M 满足的几何条件
- 用坐标表示条件,列出方程 f(x,y) = 0
- 化简方程
- 验证(通常省略)
- 多面体:棱柱、棱锥、棱台
- 旋转体:圆柱、圆锥、圆台、球
- 平行:在同一平面内且无交点
- 相交:有且仅有一个公共点
- 异面:不在任何同一平面内(既不平行也不相交)
- 在平面内(无数个交点)
- 与平面平行(无交点):a ∥ α
- 与平面相交(一个交点):a ∩ α = A
- 与平面垂直(特殊的相交):a ⊥ α
- 平行(无公共点):α ∥ β
- 相交(交于一条直线):α ∩ β = l
- 垂直(特殊的相交):α ⊥ β
- 找三条两两垂直的直线作为坐标轴
- 尽可能多的点在坐标轴或坐标平面上
- 便于写出各点的坐标
- 确定定义域
- 求 f'(x)
- 解 f'(x) > 0 得增区间,解 f'(x) < 0 得减区间
- 注意定义域的限制
- 求 f'(x)
- 令 f'(x) = 0,求 (a, b) 内的驻点
- 计算 f(a)、f(b) 及各驻点处的函数值
- 比较大小,最大值为最大值,最小值为最小值
- 有限性:算法的步骤是有限的
- 确定性:每一步都有明确的含义,无歧义
- 可行性:每一步都可以执行
- 输入:有 0 个或多个输入
- 输出:有 1 个或多个输出
- 构造函数:将不等式问题转化为函数的单调性、最值问题
- 构造方程:将几何问题、数列问题等转化为方程求解
- 函数与方程的互相转化:f(x) = 0 的根就是 y = f(x) 与 x 轴的交点
- 利用函数图像分析函数性质
- 利用向量图形解决向量问题
- 利用韦恩图解决集合问题
- 利用几何直观理解代数关系
- 利用坐标法解决几何问题(解析几何)
- 利用代数运算证明几何定理
- 利用向量法计算空间角和距离
- 标准统一
- 不重不漏(各类之间互不相容,所有类合并为全集)
- 层次分明
- 能不分则不分(尽量简化讨论)
常见奇偶函数:
奇函数:y = x, y = x³, y = 1/x, y = sin x, y = tan x
偶函数:y = x², y = |x|, y = cos x, y = x²ⁿ
非奇非偶:y = x² + x, y = sin x + cos x
既奇又偶:y = 0(定义域关于原点对称时)
(3)周期性
若存在非零常数 T,使得对定义域内的任意 x,都有 f(x + T) = f(x),则 f(x) 是周期函数,T 为其周期。最小正周期称为基本周期。
常见周期性的推导结论(设 a > 0):
① f(x + a) = -f(x) ⟹ T = 2a
② f(x + a) = 1/f(x) ⟹ T = 2a
③ f(x + a) = -1/f(x) ⟹ T = 2a
④ f(x + a) = (1+f(x))/(1-f(x)) ⟹ T = 4a
⑤ f(x) 关于 x = a 和 x = b 对称 ⟹ T = 2|b-a|
⑥ f(x) 关于 x = a 对称且关于 (b,0) 中心对称 ⟹ T = 4|b-a|
(4)对称性
关于 x = a 对称:f(a + x) = f(a - x) 或 f(x) = f(2a - x)
关于点 (a, 0) 对称:f(a + x) = -f(a - x) 或 f(x) + f(2a - x) = 0
关于点 (a, b) 对称:f(a + x) + f(a - x) = 2b
关于点 (a, b) 对称:f(x) + f(2a - x) = 2b
对称性与周期性的关系:
若 f(x) 有两条对称轴 x = a 和 x = b(a ≠ b),则 T = 2|b-a|
若 f(x) 有两个对称中心 (a,0) 和 (b,0)(a ≠ b),则 T = 2|b-a|
若 f(x) 有一条对称轴 x = a 和一个对称中心 (b,0)(a ≠ b),则 T = 4|b-a|
2.3 函数的图像变换
平移变换:
f(x) → f(x + a):左移 a 个单位(a > 0)
f(x) → f(x - a):右移 a 个单位(a > 0)
f(x) → f(x) + b:上移 b 个单位(b > 0)
f(x) → f(x) - b:下移 b 个单位(b > 0)
口诀:"左加右减,上加下减"
对称变换:
f(x) → f(-x):关于 y 轴对称
f(x) → -f(x):关于 x 轴对称
f(x) → -f(-x):关于原点对称
f(x) → f⁻¹(x):关于 y = x 对称
f(x) → |f(x)|:将 x 轴下方的图像翻折到上方
f(x) → f(|x|):保留 y 轴右侧图像,去掉左侧,再关于 y 轴对称复制
伸缩变换:
f(x) → f(ωx)(ω > 0):横坐标变为原来的 1/ω 倍
f(x) → Af(x)(A > 0):纵坐标变为原来的 A 倍
2.4 基本初等函数
(1)一次函数
f(x) = kx + b(k ≠ 0)
图像为直线,k > 0 时递增,k < 0 时递减。k 为斜率,b 为截距。
(2)二次函数
一般式:f(x) = ax² + bx + c(a ≠ 0)
顶点式:f(x) = a(x - h)² + k,顶点 (h, k)
其中 h = -b/(2a),k = (4ac - b²)/(4a)
两根式:f(x) = a(x - x₁)(x - x₂)(有两实根时)
对称轴:x = -b/(2a)
a > 0 开口向上,a < 0 开口向下。|a| 越大开口越小(图像越"窄")。
二次函数在闭区间上的最值:
需要讨论对称轴与区间的相对位置关系:
二次函数与方程、不等式的关系:
设 f(x) = ax² + bx + c(a > 0),Δ = b² - 4ac:
Δ > 0(两根 x₁ < x₂):
f(x) > 0 的解集:{x | x < x₁ 或 x > x₂}
f(x) < 0 的解集:{x | x₁ < x < x₂}
Δ = 0(重根 x₀ = -b/(2a)):
f(x) > 0 的解集:{x | x ≠ x₀}
f(x) < 0 的解集:∅
Δ < 0(无实根):
f(x) > 0 的解集:R
f(x) < 0 的解集:∅
韦达定理(根与系数的关系):
若 ax² + bx + c = 0 的两根为 x₁, x₂:
x₁ + x₂ = -b/a
x₁ · x₂ = c/a
(3)幂函数
f(x) = xᵅ(α 为常数)
常见幂函数:y = x, y = x², y = x³, y = x^(1/2) = √x, y = x⁻¹ = 1/x
幂函数的性质:
2.5 分段函数与复合函数
分段函数:
在自变量的不同取值范围内,用不同的表达式表示的函数。注意:分段函数是一个函数,不是多个函数。
例如:f(x) = { x² + 1, x ≥ 0
{ -x + 1, x < 0
复合函数:
y = f(g(x)),其中 u = g(x) 为内层函数,y = f(u) 为外层函数。
💡 复合函数的单调性:"同增异减"
内外层单调性相同 → 复合函数递增
内外层单调性相反 → 复合函数递减
2.6 反函数
若函数 y = f(x) 存在反函数,则反函数为 x = f⁻¹(y),通常写成 y = f⁻¹(x)。
反函数的性质:
常见反函数:
y = eˣ 的反函数:y = ln x
y = aˣ 的反函数:y = logₐx
y = sin x(x∈[-π/2,π/2])的反函数:y = arcsin x
y = x³ 的反函数:y = x^(1/3)
📝 例题(函数性质综合)
已知 f(x) 是定义在 R 上的奇函数,且 f(x+2) = -f(x),当 0 ≤ x ≤ 1 时,f(x) = x,求 f(7.5)。
解:由 f(x+2) = -f(x),得 f(x+4) = -f(x+2) = -(-f(x)) = f(x),所以 T = 4。
f(7.5) = f(7.5 - 8) = f(-0.5) = -f(0.5) = -0.5
📝 例题(定义域与值域)
求函数 f(x) = √(x² - 2x + 5) 的值域。
解:x² - 2x + 5 = (x-1)² + 4 ≥ 4
∴ f(x) = √((x-1)² + 4) ≥ √4 = 2
当 x = 1 时取等号,∴ 值域为 [2, +∞)。
📝 例题(复合函数单调性)
求 f(x) = log₂(x² - 4x + 5) 的单调区间。
解:令 u = x² - 4x + 5 = (x-2)² + 1 > 0(恒成立),定义域为 R。
外层 y = log₂u 为增函数。
内层 u = (x-2)² + 1 在 (-∞,2) 上递减,在 (2,+∞) 上递增。
由"同增异减":f(x) 在 (-∞,2) 上递减,在 (2,+∞) 上递增。
📝 例题(抽象函数)
已知 f(x+y) = f(x) + f(y),且 f(1) = 2,求 f(5)。
解:令 x = y = 0:f(0) = f(0) + f(0),∴ f(0) = 0
令 y = -x:f(0) = f(x) + f(-x),∴ f(-x) = -f(x)(奇函数)
f(2) = f(1+1) = f(1) + f(1) = 4
f(5) = f(1) + f(4) = f(1) + f(2) + f(2) = 2 + 4 + 4 = 10
(实际上 f(x) = 2x 满足条件,f(5) = 10)
三、指数函数与对数函数
3.1 指数与指数运算
指数运算法则:
aᵐ · aⁿ = aᵐ⁺ⁿ
aᵐ ÷ aⁿ = aᵐ⁻ⁿ(a ≠ 0)
(aᵐ)ⁿ = aᵐⁿ
(ab)ⁿ = aⁿ · bⁿ
a⁰ = 1(a ≠ 0)
a⁻ⁿ = 1/aⁿ(a ≠ 0)
a^(m/n) = ⁿ√(aᵐ)(a > 0, n ∈ N*, n > 1)
a^(-m/n) = 1/ⁿ√(aᵐ)(a > 0)
n 次方根:
ⁿ√(aⁿ) = a(n 为奇数)
ⁿ√(aⁿ) = |a|(n 为偶数)
(ⁿ√a)ⁿ = a(a 在定义域内)
3.2 指数函数
f(x) = aˣ(a > 0 且 a ≠ 1)
性质:
指数方程与不等式:
aᵐ = aⁿ ⟺ m = n(a > 0, a ≠ 1)
a > 1 时:aᵐ > aⁿ ⟺ m > n
0 < a < 1 时:aᵐ > aⁿ ⟺ m < n
3.3 对数
对数的定义:
如果 aᵇ = N(a > 0, a ≠ 1),那么 b 叫做以 a 为底 N 的对数,记作 b = logₐN。其中 a 为底数,N 为真数(N > 0)。
常用对数与自然对数:
lg N = log₁₀N(常用对数)
ln N = logₑN(自然对数,e ≈ 2.71828)
对数运算法则:
logₐ(MN) = logₐM + logₐN
logₐ(M/N) = logₐM - logₐN
logₐ(Mⁿ) = n · logₐM
logₐ(ⁿ√M) = (1/n) · logₐM
换底公式:logₐb = logcb / logca = lnb / lna
重要推论:
logₐb · log₆a = 1
logₐb · log₆c · logₓa = logₓc(链式法则)
logₐⁿb = (1/n)logₐb
logₐⁿbᵐ = (m/n)logₐb
对数恒等式:
a^(logₐN) = N
logₐa = 1
logₐ1 = 0
3.4 对数函数
f(x) = logₐx(a > 0 且 a ≠ 1)
性质:
3.5 指数函数与对数函数的关系
💡 互为反函数
y = aˣ 与 y = logₐx 互为反函数,图像关于直线 y = x 对称。
它们的单调性相同(a>1时都递增,0
比较大小方法: 比较指数大小:利用指数函数单调性或与1比较 比较对数大小: ① 同底:利用单调性 ② 不同底:换底或引入中间值(0、1等) ③ 同真数不同底:利用 logₐb = 1/log_ba 指数、对数方程: 指数方程:取对数法、换元法 对数方程:化为指数法、换元法 注意:解对数方程时要检验真数 > 0! 📝 例题(指数运算) 化简:(a^(2/3) · b^(1/2)) · (a^(1/3) · b^(1/2)) ÷ (a · b) 解:= a^(2/3 + 1/3 - 1) · b^(1/2 + 1/2 - 1) = a⁰ · b⁰ = 1 📝 例题(对数运算) 计算:lg25 + lg4 + 7^(log₇2) 解:= lg(25×4) + 2 = lg100 + 2 = 2 + 2 = 4 📝 例题(比较大小) 比较大小:log₂3、log₃2、log₂5 解:log₂3 > log₂2 = 1,log₂5 > log₂4 = 2 > log₂3 log₃2 < log₃3 = 1 ∴ log₃2 < log₂3 < log₂5 📝 例题(解方程) 解方程:log₂(x+1) + log₂(x-1) = 3 解:log₂[(x+1)(x-1)] = 3 (x+1)(x-1) = 2³ = 8 x² - 1 = 8,x² = 9,x = 3 或 x = -3 检验真数:x+1 > 0 且 x-1 > 0,即 x > 1 ∴ x = 3(x = -3 舍去) 📝 例题(指数方程) 解方程:4ˣ - 3·2ˣ - 4 = 0 解:令 t = 2ˣ > 0,则 4ˣ = t² t² - 3t - 4 = 0 (t-4)(t+1) = 0,t = 4 或 t = -1(舍去) 2ˣ = 4,x = 2 📝 例题(函数综合) 已知 f(x) = lg(x² - 2x + a),若 f(x) 的值域为 R,求 a 的范围。 解:要使值域为 R,需要 x² - 2x + a 能取到所有正数。 即 x² - 2x + a 的最小值 ≤ 0 x² - 2x + a = (x-1)² + a - 1,最小值为 a - 1 ∴ a - 1 ≤ 0,即 a ≤ 1 ⚠️ 易错提醒 "值域为 R" 与 "定义域为 R" 不同! 若要求定义域为 R,则需要 x²-2x+a > 0 恒成立,Δ < 0,即 a > 1。
四、不等式
4.1 不等式的基本性质
① a > b ⟺ a - b > 0(作差法)
② a > b, b > c ⟹ a > c(传递性)
③ a > b ⟹ a + c > b + c(可加性)
④ a > b, c > 0 ⟹ ac > bc
⑤ a > b, c < 0 ⟹ ac < bc(乘以负数变号)
⑥ a > b > 0, c > d > 0 ⟹ ac > bd
⑦ a > b > 0, n ∈ N*, n > 1 ⟹ aⁿ > bⁿ, ⁿ√a > ⁿ√b
⑧ a > b ⟹ a + c > b + d(需要 c > d 配合)
4.2 一元二次不等式
形如 ax² + bx + c > 0(或 < 0, ≥ 0, ≤ 0)的不等式(a ≠ 0)。
解题步骤(a > 0 时):
Δ > 0(两根 x₁ < x₂):
ax² + bx + c > 0 的解集:{x | x < x₁ 或 x > x₂}
ax² + bx + c < 0 的解集:{x | x₁ < x < x₂}
口诀:"大于取两边,小于取中间"
Δ = 0(重根 x₀ = -b/(2a)):
ax² + bx + c > 0 的解集:{x | x ≠ x₀}
ax² + bx + c ≥ 0 的解集:R
ax² + bx + c < 0 的解集:∅
Δ < 0(无实根):
ax² + bx + c > 0 的解集:R
ax² + bx + c < 0 的解集:∅
含参不等式:
需要对参数进行分类讨论,常见的讨论对象:
4.3 基本不等式(均值不等式)
对于任意正数 a, b:
a + b ≥ 2√(ab)(当且仅当 a = b 时等号成立)
等价形式:
ab ≤ (a+b)²/4
(a+b)/2 ≥ √(ab)(算术平均数 ≥ 几何平均数)
a² + b² ≥ 2ab(对任意实数成立)
a² + b² ≥ (a+b)²/2
💡 使用条件:"一正、二定、三相等"
①
一正:
各项为正数(或能转化为正数)
②
二定:
和或积为定值
③
三相等:
等号成立的条件可满足
常见凑定值技巧:
已知 x + y = S(定值),求 xy 最大值:xy ≤ S²/4
已知 xy = P(定值),求 x + y 最小值:x + y ≥ 2√P
"1"的代换:已知 x + y = 1,求 1/x + 1/y 的最小值
1/x + 1/y = (1/x + 1/y)(x + y) = 1 + y/x + x/y + 1 ≥ 2 + 2 = 4
三元均值不等式:
a + b + c ≥ 3·³√(abc)(a, b, c > 0)
当且仅当 a = b = c 时等号成立
4.4 绝对值不等式
|x| < a ⟺ -a < x < a(a > 0)
|x| > a ⟺ x < -a 或 x > a(a > 0)
绝对值三角不等式:
||a| - |b|| ≤ |a ± b| ≤ |a| + |b|
等号成立条件:
|a + b| = |a| + |b| ⟺ ab ≥ 0
|a - b| = |a| + |b| ⟺ ab ≤ 0
解绝对值不等式的方法:
4.5 柯西不等式
二维形式:(a² + b²)(c² + d²) ≥ (ac + bd)²
等号成立条件:ad = bc
一般形式(柯西-施瓦茨不等式):
(a₁² + a₂² + ... + aₙ²)(b₁² + b₂² + ... + bₙ²) ≥ (a₁b₁ + a₂b₂ + ... + aₙbₙ)²
4.6 排序不等式
设 a₁ ≤ a₂ ≤ ... ≤ aₙ,b₁ ≤ b₂ ≤ ... ≤ bₙ,
c₁, c₂, ..., cₙ 是 b₁, b₂, ..., bₙ 的任一排列,则:
顺序和 ≥ 乱序和 ≥ 逆序和
a₁b₁ + a₂b₂ + ... + aₙbₙ ≥ a₁c₁ + a₂c₂ + ... + aₙcₙ ≥ a₁bₙ + a₂bₙ₋₁ + ... + aₙb₁
4.7 线性规划(简单的二元一次不等式组)
在约束条件下求目标函数的最值问题。步骤:
💡 线性规划要点
• 可行域的顶点处取得最值
• z = ax + by 的几何意义:截距 z/b
• z = √(x² + y²):点到原点的距离
• z = y/x:点与原点连线的斜率
• z = (y-b)/(x-a):点与(a,b)连线的斜率
📝 例题(基本不等式)
已知 x > 0, y > 0,且 x + 2y = 1,求 1/x + 1/y 的最小值。
解:利用"1"的代换:
1/x + 1/y = (1/x + 1/y) · 1 = (1/x + 1/y)(x + 2y)
= 1 + 2y/x + x/y + 2 = 3 + 2y/x + x/y
≥ 3 + 2√(2y/x · x/y) = 3 + 2√2
当且仅当 2y/x = x/y,即 x² = 2y²,x = √2·y
代入 x + 2y = 1:√2·y + 2y = 1,y = 1/(√2+2) = (2-√2)/2
x = √2·(2-√2)/2 = (2√2-2)/2 = √2-1
∴ 最小值为 3 + 2√2。
📝 例题(绝对值不等式)
解不等式 |2x - 1| + |x + 2| < 5
解:零点为 x = 1/2 和 x = -2,分三段讨论:
① x < -2:-(2x-1) + -(x+2) < 5 → -3x - 1 < 5 → x > -2,与 x < -2 矛盾,无解
② -2 ≤ x < 1/2:-(2x-1) + (x+2) < 5 → -x + 3 < 5 → x > -2,得 -2 < x < 1/2
③ x ≥ 1/2:(2x-1) + (x+2) < 5 → 3x + 1 < 5 → x < 4/3,得 1/2 ≤ x < 4/3
∴ 解集为 (-2, 4/3)
📝 例题(线性规划)
已知 x, y 满足 x + y ≤ 4, x - y ≤ 2, x ≥ 0, y ≥ 0,求 z = 2x + y 的最大值。
解:画可行域,顶点为:
(0,0), (2,0), (3,1), (0,4)
代入目标函数:
z(0,0) = 0, z(2,0) = 4, z(3,1) = 7, z(0,4) = 4
∴ z 的最大值为 7,在点 (3,1) 处取得。
📝 例题(含参不等式)
解不等式 x² - (a+1)x + a < 0
解:x² - (a+1)x + a = (x-1)(x-a) < 0
需讨论 1 和 a 的大小:
① a < 1:解集为 (a, 1)
② a = 1:(x-1)² < 0,解集为 ∅
③ a > 1:解集为 (1, a)
五、复数
5.1 复数的概念
形如 z = a + bi(a, b ∈ R)的数称为复数,其中 a 为实部,b 为虚部,i 为虚数单位(i² = -1)。
复数的分类:
复数集 C = {a + bi | a, b ∈ R}
关系:N ⊂ Z ⊂ Q ⊂ R ⊂ C
5.2 复数的运算
设 z₁ = a + bi,z₂ = c + di
加法:z₁ + z₂ = (a+c) + (b+d)i
减法:z₁ - z₂ = (a-c) + (b-d)i
乘法:z₁ · z₂ = (ac-bd) + (ad+bc)i
除法:z₁/z₂ = [(ac+bd) + (bc-ad)i] / (c²+d²)
(分子分母同乘共轭复数)
共轭复数:z̄ = a - bi
模:|z| = √(a² + b²)
z · z̄ = |z|² = a² + b²
|z₁ · z₂| = |z₁| · |z₂|
|z₁/z₂| = |z₁|/|z₂|
虚数单位 i 的周期性:
i¹ = i,i² = -1,i³ = -i,i⁴ = 1
i^(4n) = 1,i^(4n+1) = i,i^(4n+2) = -1,i^(4n+3) = -i
1 + i + i² + i³ = 0
iⁿ + i^(n+1) + i^(n+2) + i^(n+3) = 0
5.3 复数的几何意义
复数 z = a + bi 对应复平面上的点 Z(a, b),也对应向量 OZ→。
|z₁ - z₂| = 复平面上两点 Z₁, Z₂ 之间的距离
|z| = 点 Z 到原点的距离
复数加法的几何意义:向量加法的平行四边形法则
复数减法的几何意义:向量减法的三角形法则
复数的三角形式(极坐标形式):
z = r(cosθ + i·sinθ)(r = |z|, θ 为辐角)
乘法:r₁(cosθ₁ + isinθ₁) · r₂(cosθ₂ + isinθ₂) = r₁r₂(cos(θ₁+θ₂) + isin(θ₁+θ₂))
除法:z₁/z₂ = (r₁/r₂)(cos(θ₁-θ₂) + isin(θ₁-θ₂))
棣莫弗定理(De Moivre):
[r(cosθ + isinθ)]ⁿ = rⁿ(cos nθ + isin nθ)
复数方程:
zⁿ = 1 的 n 个根(n 次单位根):
z_k = cos(2kπ/n) + isin(2kπ/n),k = 0, 1, 2, ..., n-1
复平面上的轨迹:
|z - z₀| = r:以 z₀ 为圆心,r 为半径的圆
|z - z₁| + |z - z₂| = 2a(2a > |z₁z₂|):椭圆
||z - z₁| - |z - z₂|| = 2a(2a < |z₁z₂|):双曲线
📝 例题
已知 z = (1+i)/(1-i),求 z 的值及 |z|。
解:z = (1+i)(1+i)/[(1-i)(1+i)] = (1+2i+i²)/(1-i²) = (1+2i-1)/(1+1) = 2i/2 = i
|z| = |i| = 1
📝 例题(i 的幂运算)
计算 i + i² + i³ + ... + i²⁰²⁵
解:每 4 项之和为 0(i + i² + i³ + i⁴ = i - 1 - i + 1 = 0)
2025 = 4 × 506 + 1
∴ 原式 = (i + i² + i³ + i⁴) × 506 + i²⁰²⁵ = 0 + i^(4×506+1) = i¹ = i
📝 例题(复数的几何意义)
已知 |z - 2i| + |z + 2i| = 6,求复数 z 对应点的轨迹。
解:设 z = x + yi,则 z 到 (0,2) 和 (0,-2) 的距离之和为 6。
这是椭圆的定义:焦点为 F₁(0,2)、F₂(0,-2),2a = 6,a = 3,c = 2,b² = 9 - 4 = 5
轨迹方程:y²/9 + x²/5 = 1
六、三角函数
6.1 角的概念推广
角可以看作一条射线绕端点旋转所形成的图形。正角(逆时针)、负角(顺时针)、零角。
象限角与轴线角:
第一象限角:2kπ < α < π/2 + 2kπ
第二象限角:π/2 + 2kπ < α < π + 2kπ
第三象限角:π + 2kπ < α < 3π/2 + 2kπ
第四象限角:3π/2 + 2kπ < α < 2π + 2kπ
终边相同的角:
与 α 终边相同的角的集合:{β | β = α + 2kπ, k ∈ Z}
弧度制:
1 rad = 圆心角对应的弧长等于半径时的角
π rad = 180°
1° = π/180 rad ≈ 0.01745 rad
1 rad = 180°/π ≈ 57.3°
弧长公式:l = |α| · r(α 为弧度)
扇形面积:S = (1/2)lr = (1/2)|α|r²
6.2 三角函数定义
设角 α 终边上一点 P(x, y),r = √(x² + y²) > 0:
sin α = y/r
cos α = x/r
tan α = y/x(x ≠ 0)
单位圆定义(r = 1):
sin α = y(P 点的纵坐标)
cos α = x(P 点的横坐标)
tan α = y/x
三角函数线:
在单位圆中:
各象限三角函数的符号:
口诀:"一全正,二正弦,三正切,四余弦"
第一象限:sin+, cos+, tan+
第二象限:sin+, cos-, tan-
第三象限:sin-, cos-, tan+
第四象限:sin-, cos+, tan-
6.3 同角三角函数关系
平方关系:sin²α + cos²α = 1
→ sin²α = 1 - cos²α,cos²α = 1 - sin²α
商数关系:tan α = sin α / cos α
倒数关系:1 + tan²α = sec²α = 1/cos²α
1 + cot²α = csc²α = 1/sin²α
"知一求二"问题:
已知 sinα、cosα、tanα 中的一个,可以求另外两个,但需要注意象限符号。
sinα + cosα = t 时:
(sinα + cosα)² = 1 + 2sinαcosα = t²
sinαcosα = (t² - 1)/2
sinα - cosα = ±√(2 - t²)
6.4 诱导公式
口诀:"奇变偶不变,符号看象限"
(kπ/2 ± α,k 为奇数则函数名变,k 为偶数则函数名不变;符号由原角所在象限决定)
第一组(2kπ + α):
sin(2kπ + α) = sin α
cos(2kπ + α) = cos α
第二组(-α):
sin(-α) = -sin α
cos(-α) = cos α
第三组(π ± α):
sin(π - α) = sin α,sin(π + α) = -sin α
cos(π - α) = -cos α,cos(π + α) = -cos α
第四组(π/2 ± α):
sin(π/2 - α) = cos α,sin(π/2 + α) = cos α
cos(π/2 - α) = sin α,cos(π/2 + α) = -sin α
6.5 三角函数图像与性质
y = sin x 的性质:
y = cos x 的性质:
y = tan x 的性质:
一般形式 y = A sin(ωx + φ) + B(A > 0, ω > 0):
振幅:A
周期:T = 2π/ω
频率:f = 1/T = ω/(2π)
初相:φ
相位:ωx + φ
值域:[B - A, B + A]
最大值 B + A,最小值 B - A
对称轴:ωx + φ = π/2 + kπ,即 x = (π/2 - φ + kπ)/ω
对称中心:ωx + φ = kπ,即 ((kπ - φ)/ω, B)
单调增区间:-π/2 + 2kπ ≤ ωx + φ ≤ π/2 + 2kπ
单调减区间:π/2 + 2kπ ≤ ωx + φ ≤ 3π/2 + 2kπ
求参数 A, ω, φ, B 的方法:
A = (y_max - y_min) / 2
B = (y_max + y_min) / 2
ω = 2π / T
φ:利用已知点代入求解(注意初相的范围)
图像变换(从 y = sin x 出发):
方法一(先平移后伸缩):
方法二(先伸缩后平移):
6.6 反三角函数
y = arcsin x:定义域 [-1,1],值域 [-π/2, π/2]
y = arccos x:定义域 [-1,1],值域 [0, π]
y = arctan x:定义域 R,值域 (-π/2, π/2)
📝 例题(同角关系)
已知 sin α + cos α = 1/5,α ∈ (0, π),求 tan α。
解:(sin α + cos α)² = 1/25 → 1 + 2sinαcosα = 1/25
sinαcosα = -12/25 < 0
∵ α ∈ (0, π) 且 sinαcosα < 0,∴ sinα > 0, cosα < 0(第二象限)
(sin α - cos α)² = 1 - 2sinαcosα = 1 + 24/25 = 49/25
∵ sinα > 0, cosα < 0,∴ sinα - cosα > 0,sinα - cosα = 7/5
联立:sinα + cosα = 1/5,sinα - cosα = 7/5
sinα = 4/5,cosα = -3/5
∴ tanα = sinα/cosα = -4/3
📝 例题(求参数)
函数 y = 2sin(2x + π/3) 的单调增区间。
解:令 -π/2 + 2kπ ≤ 2x + π/3 ≤ π/2 + 2kπ
-π/2 - π/3 + 2kπ ≤ 2x ≤ π/2 - π/3 + 2kπ
-5π/6 + 2kπ ≤ 2x ≤ π/6 + 2kπ
-5π/12 + kπ ≤ x ≤ π/12 + kπ
∴ 单调增区间为 [-5π/12 + kπ, π/12 + kπ],k ∈ Z。
📝 例题(综合应用)
已知 f(x) = 2sin(ωx + φ)(ω > 0, |φ| < π/2)的最小正周期为 π,且图像关于 x = π/3 对称,求 f(x)。
解:T = 2π/ω = π → ω = 2
x = π/3 是对称轴,所以 2·(π/3) + φ = π/2 + kπ
φ = π/2 - 2π/3 + kπ = -π/6 + kπ
∵ |φ| < π/2,∴ φ = -π/6
∴ f(x) = 2sin(2x - π/6)
七、三角恒等变换
7.1 两角和与差的三角函数
sin(α + β) = sin α cos β + cos α sin β
sin(α - β) = sin α cos β - cos α sin β
cos(α + β) = cos α cos β - sin α sin β
cos(α - β) = cos α cos β + sin α sin β
tan(α + β) = (tan α + tan β) / (1 - tan α tan β)
tan(α - β) = (tan α - tan β) / (1 + tan α tan β)
7.2 二倍角公式
sin 2α = 2sin α cos α
cos 2α = cos²α - sin²α = 2cos²α - 1 = 1 - 2sin²α
tan 2α = 2tan α / (1 - tan²α)
二倍角公式的逆用(降幂公式):
sin α cos α = (1/2)sin 2α
cos²α = (1 + cos 2α) / 2
sin²α = (1 - cos 2α) / 2
tan²α = (1 - cos 2α) / (1 + cos 2α)
7.3 半角公式
sin(α/2) = ±√[(1 - cos α) / 2]
cos(α/2) = ±√[(1 + cos α) / 2]
tan(α/2) = ±√[(1 - cos α) / (1 + cos α)]
= sin α / (1 + cos α) = (1 - cos α) / sin α
7.4 辅助角公式
a sin x + b cos x = √(a² + b²) · sin(x + φ)
其中 tan φ = b/a(φ 的象限由 a, b 的符号确定)
也可写成:a sin x + b cos x = √(a² + b²) · cos(x - θ)
其中 tan θ = a/b
💡 辅助角公式的应用
将"一次三角函数"化为标准形式,便于求:
• 最大值/最小值
• 周期
• 单调区间
• 对称轴和对称中心
7.5 三倍角公式
sin 3α = 3sin α - 4sin³α
cos 3α = 4cos³α - 3cos α
tan 3α = (3tan α - tan³α) / (1 - 3tan²α)
7.6 积化和差与和差化积
积化和差:
sin α cos β = (1/2)[sin(α+β) + sin(α-β)]
cos α sin β = (1/2)[sin(α+β) - sin(α-β)]
cos α cos β = (1/2)[cos(α+β) + cos(α-β)]
sin α sin β = -(1/2)[cos(α+β) - cos(α-β)]
和差化积:
sin α + sin β = 2sin((α+β)/2)cos((α-β)/2)
sin α - sin β = 2cos((α+β)/2)sin((α-β)/2)
cos α + cos β = 2cos((α+β)/2)cos((α-β)/2)
cos α - cos β = -2sin((α+β)/2)sin((α-β)/2)
7.7 万能公式(半角代换)
设 t = tan(α/2),则:
sin α = 2t / (1 + t²)
cos α = (1 - t²) / (1 + t²)
tan α = 2t / (1 - t²)
7.8 常见的恒等变换技巧
(1)角的变换:
α = (α + β) - β
α = (α + β)/2 + (α - β)/2
2α = (α + β) + (α - β)
α/2 = (α + β)/2 - β/2
(2)函数名的变换:
切割化弦、弦切互化、升幂降幂
(3)"1"的代换:
1 = sin²α + cos²α
1 = tan(π/4)
1 = tan α · cot α
tan α + tan β 的变形:
tan α + tan β = tan(α + β)(1 - tan α tan β)
tan α - tan β = tan(α - β)(1 + tan α tan β)
📝 例题(辅助角公式)
化简 f(x) = sin x + √3 cos x,并求其最大值及取得最大值时 x 的值。
解:f(x) = sin x + √3 cos x = 2(1/2 · sin x + √3/2 · cos x)
= 2(sin x · cos(π/3) + cos x · sin(π/3)) = 2sin(x + π/3)
最大值为 2,当 x + π/3 = π/2 + 2kπ,即 x = π/6 + 2kπ 时取得。
📝 例题(角的变换)
已知 cos(α + β) = 1/3,cos(α - β) = 1/5,求 tan α · tan β。
解:cos(α + β) = cosαcosβ - sinαsinβ = 1/3 ①
cos(α - β) = cosαcosβ + sinαsinβ = 1/5 ②
①+②:2cosαcosβ = 1/3 + 1/5 = 8/15 → cosαcosβ = 4/15
②-①:2sinαsinβ = 1/5 - 1/3 = -2/15 → sinαsinβ = -1/15
tanα · tanβ = (sinαsinβ)/(cosαcosβ) = (-1/15)/(4/15) = -1/4
📝 例题(二倍角应用)
已知 sin(π/4 - x) = 3/5,求 sin 2x 的值。
解:注意到 2x = π/2 - 2(π/4 - x)
sin 2x = sin[π/2 - 2(π/4 - x)] = cos[2(π/4 - x)]
= 1 - 2sin²(π/4 - x) = 1 - 2 · (3/5)² = 1 - 18/25 = 7/25
📝 例题(三角求值)
求 cos20° · cos40° · cos80° 的值。
解:利用 sin2α = 2sinαcosα → cosα = sin2α/(2sinα)
原式 = [sin40°/(2sin20°)] · [sin80°/(2sin40°)] · [sin160°/(2sin80°)]
= sin160° / (8sin20°) = sin20° / (8sin20°) = 1/8
📝 例题(综合化简)
化简:(sin2α)/(1 + cos2α) · (cosα)/(1 + cosα)
解:= [2sinαcosα / (2cos²α)] · [cosα / (2cos²(α/2))]
= (sinα/cosα) · [cosα / (2cos²(α/2))]
= sinα / (2cos²(α/2))
= 2sin(α/2)cos(α/2) / (2cos²(α/2))
= tan(α/2)
八、解三角形
8.1 正弦定理
a/sin A = b/sin B = c/sin C = 2R
其中 R 为三角形外接圆半径。
变形形式:
a = 2R sin A,b = 2R sin B,c = 2R sin C
sin A = a/(2R),sin B = b/(2R),sin C = c/(2R)
a : b : c = sin A : sin B : sin C
适用情况:
正弦定理的应用——边角互化:
将边的关系转化为角的关系:a = 2RsinA 代入
将角的关系转化为边的关系:sinA = a/(2R) 代入
8.2 余弦定理
a² = b² + c² - 2bc cos A
b² = a² + c² - 2ac cos B
c² = a² + b² - 2ab cos C
推论(求角):
cos A = (b² + c² - a²) / (2bc)
cos B = (a² + c² - b²) / (2ac)
cos C = (a² + b² - c²) / (2ab)
适用情况:
余弦定理的推论——判断三角形形状:
设 a 为最长边:
a² < b² + c² ⟺ A < 90°(锐角三角形)
a² = b² + c² ⟺ A = 90°(直角三角形)
a² > b² + c² ⟺ A > 90°(钝角三角形)
8.3 三角形面积公式
S = (1/2)ab sin C = (1/2)bc sin A = (1/2)ac sin B
S = (1/2) · 底 · 高
海伦公式(已知三边):
S = √[p(p-a)(p-b)(p-c)],其中 p = (a+b+c)/2
内切圆半径公式:r = S/p = 2S/(a+b+c)
外接圆半径公式:R = abc/(4S)
8.4 三角形中的常用结论
① A + B + C = π
② 在△ABC 中:A > B ⟺ a > b ⟺ sin A > sin B
(大边对大角,大角对大边)
③ sin(A+B) = sin C
cos(A+B) = -cos C
④ 射影定理:a = b cos C + c cos B
⑤ 中线长公式(a 边上的中线 mₐ):
mₐ = (1/2)√(2b² + 2c² - a²)
⑥ tan A + tan B + tan C = tan A · tan B · tan C
(当 A + B + C = π 时)
8.5 SSA(已知两边及对角)的讨论
已知 a, b, A(a 的对角),判断解的个数:
若 A 为锐角:
a < b sin A:无解
a = b sin A:一解(直角三角形)
b sin A < a < b:两解
a ≥ b:一解
若 A 为直角或钝角:
a ≤ b:无解
a > b:一解
📝 例题(正弦定理)
在△ABC 中,a = 2, b = √6, A = π/4,求 B 和 c。
解:由正弦定理:a/sin A = b/sin B
2/sin(π/4) = √6/sin B
sin B = √6 · sin(π/4) / 2 = √6 · (√2/2) / 2 = √12/4 = 2√3/4 = √3/2
∵ b > a,∴ B > A = π/4,B = π/3 或 B = 2π/3
情况1:B = π/3,C = π - π/4 - π/3 = 5π/12
c = a·sin C/sin A = 2·sin(5π/12)/(√2/2) = 2√2·sin(75°) = 2√2·(√6+√2)/4 = (√12+2)/2 = √3+1
情况2:B = 2π/3,C = π - π/4 - 2π/3 = π/12
c = 2·sin(π/12)/(√2/2) = 2√2·sin(15°) = 2√2·(√6-√2)/4 = (√12-2)/2 = √3-1
∴ B = π/3, c = √3+1 或 B = 2π/3, c = √3-1
📝 例题(余弦定理)
在△ABC 中,a = 7, b = 5, c = 3,求最大角 A 和面积 S。
解:cos A = (b² + c² - a²) / (2bc) = (25 + 9 - 49) / (2·5·3) = -15/30 = -1/2
∴ A = 2π/3 = 120°
S = (1/2)bc sin A = (1/2)·5·3·sin(2π/3) = (15/2)·(√3/2) = 15√3/4
📝 例题(边角互化)
在△ABC 中,已知 2sin A cos B = sin C,判断三角形形状。
解:∵ C = π - (A+B),∴ sin C = sin(A+B) = sinAcosB + cosAsinB
∴ 2sinAcosB = sinAcosB + cosAsinB
sinAcosB - cosAsinB = 0
sin(A-B) = 0
∴ A = B(因为 -π < A-B < π)
∴ △ABC 是等腰三角形(a = b)。
📝 例题(面积与最值)
在△ABC 中,b = 2,B = π/3,求△ABC 面积的最大值。
解:由余弦定理:b² = a² + c² - 2ac cos B
4 = a² + c² - 2ac · (1/2) = a² + c² - ac
∵ a² + c² ≥ 2ac,∴ 4 = a² + c² - ac ≥ 2ac - ac = ac
∴ ac ≤ 4(当且仅当 a = c = 2 时等号成立)
S = (1/2)ac sin B = (1/2)ac · (√3/2) = (√3/4)ac ≤ (√3/4) × 4 = √3
∴ 面积的最大值为 √3。
九、数列
9.1 数列的基本概念
数列是按一定次序排列的一列数。数列可以看作定义域为正整数集 N*(或其有限子集 {1,2,...,n})的函数。
数列的表示:
aₙ 与 Sₙ 的关系:
aₙ = S₁(n = 1)
aₙ = Sₙ - Sₙ₋₁(n ≥ 2)
注意:需要检验 n = 1 时是否符合 n ≥ 2 的公式!
9.2 等差数列
定义:
如果一个数列从第二项起,每一项与前一项的差等于同一个常数 d,则称该数列为等差数列,d 为公差。
aₙ - aₙ₋₁ = d(n ≥ 2)或 aₙ₊₁ - aₙ = d(n ∈ N*)
重要公式:
通项公式:aₙ = a₁ + (n-1)d = dn + (a₁ - d)
(aₙ 是 n 的一次函数,d 为斜率)
前 n 项和:Sₙ = na₁ + n(n-1)d/2 = n(a₁ + aₙ)/2
Sₙ = (d/2)n² + (a₁ - d/2)n
(Sₙ 是 n 的二次函数,无常数项,d/2 为二次项系数)
中项关系:2aₙ = aₙ₋₁ + aₙ₊₁(等差中项)
aₙ = (aₙ₋ₖ + aₙ₊ₖ) / 2
性质:若 m + n = p + q,则 aₘ + aₙ = aₚ + aq
等差数列的判定方法:
① 定义法:aₙ₊₁ - aₙ = 常数
② 中项法:2aₙ₊₁ = aₙ + aₙ₊₂
③ 通项法:aₙ = kn + b(k, b 为常数)
④ 求和法:Sₙ = An² + Bn(A, B 为常数)
等差数列的性质:
① 若 {aₙ}, {bₙ} 都是等差数列,则 {paₙ + qbₙ} 也是等差数列
② Sₙ, S₂ₙ - Sₙ, S₃ₙ - S₂ₙ 也成等差数列
③ 若 n 为奇数,Sₙ = n · a_((n+1)/2)(中间项)
S₂ₙ₋₁ = (2n-1) · aₙ
④ 等差数列的"片段和":Sₖ, S₂ₖ - Sₖ, S₃ₖ - S₂ₖ 成等差
⑤ a₁ + aₙ = a₂ + aₙ₋₁ = a₃ + aₙ₋₂ = ... = 2a_((n+1)/2)(n 为奇数时)
9.3 等比数列
定义:
如果一个数列从第二项起,每一项与前一项的比等于同一个常数 q(q ≠ 0),则称该数列为等比数列,q 为公比。
aₙ/aₙ₋₁ = q(n ≥ 2, q ≠ 0),aₙ ≠ 0
重要公式:
通项公式:aₙ = a₁ · qⁿ⁻¹
前 n 项和:
q = 1 时:Sₙ = na₁
q ≠ 1 时:Sₙ = a₁(1-qⁿ)/(1-q) = a₁(qⁿ-1)/(q-1)
中项关系:aₙ² = aₙ₋₁ · aₙ₊₁(等比中项)
aₙ² = aₙ₋ₖ · aₙ₊ₖ
性质:若 m + n = p + q,则 aₘ · aₙ = aₚ · aq
等比数列的判定方法:
① 定义法:aₙ₊₁/aₙ = 常数 q ≠ 0
② 中项法:aₙ₊₁² = aₙ · aₙ₊₂
③ 通项法:aₙ = c · qⁿ(c, q 为非零常数)
等比数列的性质:
① Sₙ, S₂ₙ - Sₙ, S₃ₙ - S₂ₙ 也成等比数列(q ≠ -1 时)
② 若 {aₙ} 为等比数列,则 {|aₙ|}, {aₙ²}, {1/aₙ}, {caₙ} 也为等比数列
③ 若 {aₙ}, {bₙ} 为等比数列,则 {aₙbₙ}, {aₙ/bₙ} 也为等比数列
④ a₁ · aₙ = a₂ · aₙ₋₁ = a₃ · aₙ₋₂ = ...
9.4 求数列通项公式的方法
(1)累加法
适用于 aₙ - aₙ₋₁ = f(n) 的形式(或 aₙ₊₁ - aₙ = f(n))。
a₂ - a₁ = f(2)
a₃ - a₂ = f(3)
...
aₙ - aₙ₋₁ = f(n)
相加得:aₙ = a₁ + Σ(k=2 to n) f(k)
(2)累乘法
适用于 aₙ/aₙ₋₁ = g(n) 的形式。
a₂/a₁ = g(2),a₃/a₂ = g(3),...,aₙ/aₙ₋₁ = g(n)
相乘得:aₙ = a₁ · Π(k=2 to n) g(k)
(3)构造等比数列法
类型一:aₙ₊₁ = p·aₙ + q(p ≠ 0, 1,q ≠ 0)
令 aₙ₊₁ + t = p(aₙ + t),则 aₙ₊₁ = p·aₙ + (p-1)t
比较得 (p-1)t = q → t = q/(p-1)
令 bₙ = aₙ + t,则 {bₙ} 是公比为 p 的等比数列
类型二:aₙ₊₁ = p·aₙ + qⁿ
两边除以 qⁿ⁺¹:aₙ₊₁/qⁿ⁺¹ = (p/q)·(aₙ/qⁿ) + 1/q
令 bₙ = aₙ/qⁿ,转化为类型一
类型三:aₙ₊₁ = p·aₙ + qn + r
令 aₙ₊₁ + A(n+1) + B = p(aₙ + An + B)
比较系数求 A, B,令 bₙ = aₙ + An + B
(4)取倒数法
适用于 aₙ₊₁ = aₙ / (p·aₙ + q) 的形式。
两边取倒数:1/aₙ₊₁ = (p·aₙ + q)/aₙ = p + q/aₙ
令 bₙ = 1/aₙ,则 bₙ₊₁ = q·bₙ + p(转化为类型一)
(5)特征方程法(二阶线性递推)
aₙ₊₂ = p·aₙ₊₁ + q·aₙ
特征方程:x² = px + q,即 x² - px - q = 0
若两个不等实根 x₁, x₂:aₙ = A·x₁ⁿ + B·x₂ⁿ(A, B 由初始条件确定)
若重根 x₀:aₙ = (An + B)·x₀ⁿ
(6)不动点法
适用于 aₙ₊₁ = (a·aₙ + b)/(c·aₙ + d) 的有理分式递推。
不动点:令 x = (ax + b)/(cx + d),解方程
若两个不动点 x₁, x₂:(aₙ₊₁ - x₁)/(aₙ₊₁ - x₂) = k · (aₙ - x₁)/(aₙ - x₂)
若一个不动点 x₀:1/(aₙ₊₁ - x₀) = 1/(aₙ - x₀) + k
9.5 求前 n 项和的方法
(1)公式法
直接用等差、等比数列求和公式。常用求和公式:
Σ(k=1 to n) k = n(n+1)/2
Σ(k=1 to n) k² = n(n+1)(2n+1)/6
Σ(k=1 to n) k³ = [n(n+1)/2]²
Σ(k=1 to n) (2k-1) = n²
Σ(k=1 to n) qᵏ = q(qⁿ-1)/(q-1)(q ≠ 1)
(2)分组求和法
将 aₙ 拆分为 bₙ + cₙ,分别求和后相加。适用于一个等差 + 一个等比等形式。
(3)裂项相消法
适用于通项可分解为两项之差的形式:
1/(n(n+1)) = 1/n - 1/(n+1)
1/(n(n+2)) = (1/2)(1/n - 1/(n+2))
1/(√n + √(n+1)) = √(n+1) - √n
1/((2n-1)(2n+1)) = (1/2)(1/(2n-1) - 1/(2n+1))
1/(n(n+1)(n+2)) = (1/2)[1/(n(n+1)) - 1/((n+1)(n+2))]
(4)错位相减法
适用于"等差 × 等比"型数列 aₙ = (An + B) · qⁿ。
Sₙ = a₁ + a₂ + a₃ + ... + aₙ
qSₙ = qa₁ + qa₂ + qa₃ + ... + qaₙ
Sₙ - qSₙ = a₁ + (a₂ - qa₁) + ... + (aₙ - qaₙ₋₁) - qaₙ
(利用等差部分的差为常数化简)
(5)倒序相加法
适用于对称结构的数列求和,如 aₖ + aₙ₊₁₋ₖ 为常数。
(6)并项求和法
适用于符号交替的数列,将相邻两项合并。
如 aₙ = (-1)ⁿ · n,Sₙ = (-1+2) + (-3+4) + ...
9.6 数列不等式(放缩法)
常见放缩技巧:
① 1/n² < 1/(n(n-1)) = 1/(n-1) - 1/n(n ≥ 2)
② 1/n² < 1/(n(n+1)) ... 不对,应该是 1/n² > 1/(n(n+1))
正确的:1/n² < 1/(n²-1/4) = 1/((n-1/2)(n+1/2)) = 1/(n-1/2) - 1/(n+1/2)(不常用)
更常用:1/n² < 2/(n(n+1)) = 2(1/n - 1/(n+1))
③ 1/√n < 2/(√n + √(n-1)) = 2(√n - √(n-1))
④ 2ⁿ > n(n ≥ 1),2ⁿ > n²(n ≥ 5)
⑤ 1/(2ⁿ - 1) < 2/2ⁿ = 1/2ⁿ⁻¹
📝 例题(求通项——构造法)
已知 a₁ = 1,aₙ₊₁ = 2aₙ + 3,求 aₙ。
解:令 aₙ₊₁ + t = 2(aₙ + t),即 aₙ₊₁ = 2aₙ + t
对比得 t = 3,所以 aₙ₊₁ + 3 = 2(aₙ + 3)
令 bₙ = aₙ + 3,则 bₙ₊₁ = 2bₙ,{bₙ} 是公比为 2 的等比数列
b₁ = a₁ + 3 = 4
bₙ = 4 · 2ⁿ⁻¹ = 2ⁿ⁺¹
∴ aₙ = bₙ - 3 = 2ⁿ⁺¹ - 3
📝 例题(求通项——取倒数法)
已知 a₁ = 1,aₙ₊₁ = aₙ/(2aₙ + 1),求 aₙ。
解:两边取倒数:1/aₙ₊₁ = (2aₙ + 1)/aₙ = 2 + 1/aₙ
令 bₙ = 1/aₙ,则 bₙ₊₁ = bₙ + 2,{bₙ} 是公差为 2 的等差数列
b₁ = 1/a₁ = 1
bₙ = 1 + (n-1)·2 = 2n - 1
∴ aₙ = 1/bₙ = 1/(2n - 1)
📝 例题(错位相减法)
求 Sₙ = 1·2 + 2·2² + 3·2³ + ... + n·2ⁿ
解:Sₙ = 1·2¹ + 2·2² + 3·2³ + ... + n·2ⁿ
2Sₙ = 1·2² + 2·2³ + 3·2⁴ + ... + n·2ⁿ⁺¹
相减:Sₙ - 2Sₙ = 2¹ + 2² + 2³ + ... + 2ⁿ - n·2ⁿ⁺¹
-Sₙ = 2(2ⁿ - 1)/(2 - 1) - n·2ⁿ⁺¹ = 2ⁿ⁺¹ - 2 - n·2ⁿ⁺¹
-Sₙ = (1 - n)·2ⁿ⁺¹ - 2
Sₙ = (n - 1)·2ⁿ⁺¹ + 2
📝 例题(裂项相消法)
求 Sₙ = 1/(1·3) + 1/(2·4) + 1/(3·5) + ... + 1/(n(n+2))
解:1/(k(k+2)) = (1/2)(1/k - 1/(k+2))
Sₙ = (1/2)[(1/1 - 1/3) + (1/2 - 1/4) + (1/3 - 1/5) + ... + (1/n - 1/(n+2))]
相邻项消去后:
Sₙ = (1/2)[1 + 1/2 - 1/(n+1) - 1/(n+2)]
= (1/2)[3/2 - (2n+3)/((n+1)(n+2))]
= 3/4 - (2n+3)/(2(n+1)(n+2))
📝 例题(等差等比综合)
等差数列 {aₙ} 中,a₃ = 7,a₇ = 15,等比数列 {bₙ} 中 b₁ = a₁,b₂ = a₃。
(1)求 {aₙ} 和 {bₙ} 的通项公式;(2)求数列 {aₙ · bₙ} 的前 n 项和 Tₙ。
解(1):a₇ - a₃ = 4d = 15 - 7 = 8 → d = 2
a₃ = a₁ + 2d = 7 → a₁ = 3
∴ aₙ = 3 + (n-1)·2 = 2n + 1
b₁ = a₁ = 3,b₂ = a₃ = 7 → q = 7/3
∴ bₙ = 3 · (7/3)ⁿ⁻¹ = 3²⁻ⁿ · 7ⁿ⁻¹
... 此题 q = 7/3 不太好看,换个例子。
📝 例题(Sₙ 与 aₙ 的关系)
已知 Sₙ = 2aₙ - 1,求 aₙ。
解:当 n ≥ 2 时:aₙ = Sₙ - Sₙ₋₁ = (2aₙ - 1) - (2aₙ₋₁ - 1) = 2aₙ - 2aₙ₋₁
∴ aₙ = 2aₙ₋₁,即 aₙ/aₙ₋₁ = 2(等比数列,公比 q = 2)
当 n = 1 时:a₁ = S₁ = 2a₁ - 1 → a₁ = 1
∴ aₙ = 1 · 2ⁿ⁻¹ = 2ⁿ⁻¹
检验:Sₙ = 1 + 2 + 4 + ... + 2ⁿ⁻¹ = 2ⁿ - 1 = 2·2ⁿ⁻¹ - 1 = 2aₙ - 1 ✓
十、平面向量与空间向量
10.1 向量的基本概念
向量是既有大小又有方向的量。用有向线段表示,记作 AB→ 或 a→。
⚠️ 注意
零向量与任何向量平行:0→ ∥ a→ 对任意 a→ 成立。
向量不能比较大小(没有"大于""小于"),但模可以比较。
10.2 向量的线性运算
加法(三角形法则/平行四边形法则):a→ + b→
性质:a→ + b→ = b→ + a→,(a→ + b→) + c→ = a→ + (b→ + c→)
减法:a→ - b→ = a→ + (-b→)
三角形法则:AB→ - AC→ = CB→(从被减向量终点到减向量终点)
数乘:λa→
|λa→| = |λ| · |a→|
λ > 0 时与 a→ 同向,λ < 0 时与 a→ 反向,λ = 0 时得 0→
性质:λ(μa→) = (λμ)a→
(λ + μ)a→ = λa→ + μa→
λ(a→ + b→) = λa→ + λb→
10.3 向量的坐标表示
设 a→ = (x₁, y₁),b→ = (x₂, y₂)
a→ + b→ = (x₁+x₂, y₁+y₂)
a→ - b→ = (x₁-x₂, y₁-y₂)
λa→ = (λx₁, λy₁)
|a→| = √(x₁² + y₁²)
AB→ = (x_B - x_A, y_B - y_A)(终点坐标减起点坐标)
10.4 向量的数量积(点积/内积)
定义:a→ · b→ = |a→|·|b→|·cosθ(θ 为两向量的夹角,0 ≤ θ ≤ π)
坐标形式:a→ · b→ = x₁x₂ + y₁y₂
性质:
a→ · a→ = |a→|² = x₁² + y₁²
cosθ = (a→·b→) / (|a→|·|b→|) = (x₁x₂+y₁y₂) / (√(x₁²+y₁²)·√(x₂²+y₂²))
a→ ⊥ b→ ⟺ a→ · b→ = 0 ⟺ x₁x₂ + y₁y₂ = 0
运算律:
a→ · b→ = b→ · a→(交换律)
(λa→) · b→ = λ(a→ · b→) = a→ · (λb→)
(a→ + b→) · c→ = a→ · c→ + b→ · c→(分配律)
注意:数量积不满足结合律!即 (a→ · b→) · c→ ≠ a→ · (b→ · c→)
重要公式与结论:
|a→ + b→|² = |a→|² + 2a→·b→ + |b→|²
|a→ - b→|² = |a→|² - 2a→·b→ + |b→|²
|a→ + b→|² + |a→ - b→|² = 2(|a→|² + |b→|²)(平行四边形对角线平方和)
(a→ + b→)·(a→ - b→) = |a→|² - |b→|²
向量在 b→ 方向上的投影 = a→·b→ / |b→| = |a→|cosθ
|a→·b→| ≤ |a→|·|b→|(柯西不等式)
10.5 向量共线的条件
a→ ∥ b→(b→ ≠ 0→)⟺ 存在实数 λ,使 a→ = λb→
坐标形式:a→ ∥ b→ ⟺ x₁y₂ - x₂y₁ = 0
三点共线的判定:
A, B, C 三点共线 ⟺ AB→ ∥ AC→ ⟺ AB→ = λ·AC→
或用坐标:(x_B - x_A)(y_C - y_A) = (y_B - y_A)(x_C - x_A)
10.6 平面向量基本定理
如果 e₁→, e₂→ 是同一平面内两个不共线的向量(即一组基底),那么对该平面内的任一向量 a→,有且只有一对实数 λ₁, λ₂,使得:
a→ = λ₁e₁→ + λ₂e₂→
当 e₁→, e₂→ 互相垂直时,就是坐标表示。
向量的正交分解:
将向量分解为互相垂直的两个分量:
a→ 在 b→ 方向上的投影向量 = (a→·b→/|b→|²)·b→
10.7 空间向量
空间向量的坐标运算:
设 a→ = (x₁, y₁, z₁),b→ = (x₂, y₂, z₂)
a→ + b→ = (x₁+x₂, y₁+y₂, z₁+z₂)
a→ - b→ = (x₁-x₂, y₁-y₂, z₁-z₂)
λa→ = (λx₁, λy₁, λz₁)
a→ · b→ = x₁x₂ + y₁y₂ + z₁z₂
|a→| = √(x₁² + y₁² + z₁²)
夹角:cos
= (a→·b→)/(|a→||b→|) a→ ⊥ b→ ⟺ a→·b→ = 0 ⟺ x₁x₂ + y₁y₂ + z₁z₂ = 0 a→ ∥ b→ ⟺ a→ = λb→ ⟺ x₁/x₂ = y₁/y₂ = z₁/z₂(分量不为0时)
向量的叉积(外积,拓展):
a→ × b→ = (y₁z₂ - z₁y₂, z₁x₂ - x₁z₂, x₁y₂ - y₁x₂)
|a→ × b→| = |a→||b→|sinθ = 平行四边形面积
a→ × b→ 垂直于 a→ 和 b→ 所确定的平面
空间向量基本定理:
如果三个向量 a→, b→, c→ 不共面,那么对空间中任一向量 p→,存在唯一的有序实数组 (x, y, z),使得 p→ = xa→ + yb→ + zc→。
📝 例题(平面向量)
已知 a→ = (2, 3),b→ = (-1, 4),求 a→ · b→、|a→ + b→| 和 a→ 与 b→ 的夹角。
解:a→ · b→ = 2×(-1) + 3×4 = -2 + 12 = 10
a→ + b→ = (1, 7),|a→ + b→| = √(1+49) = √50 = 5√2
|a→| = √(4+9) = √13,|b→| = √(1+16) = √17
cosθ = 10/(√13·√17) = 10/√221
θ = arccos(10/√221) ≈ 47.4°
📝 例题(三点共线)
已知 A(1, 2),B(3, 6),C(4, 8),判断 A, B, C 是否共线。
解:AB→ = (2, 4),AC→ = (3, 6)
2 × 6 - 4 × 3 = 12 - 12 = 0
∴ AB→ ∥ AC→,且有公共点 A,所以 A, B, C 三点共线。
📝 例题(向量与三角形)
在△ABC 中,D 是 BC 的中点,AD = 3,点 P 在 AD 上且 AP = 2PD,求 PA→·(PB→ + PC→)。
解:∵ D 是 BC 中点,∴ PB→ + PC→ = 2PD→
∴ PA→·(PB→ + PC→) = PA→·2PD→ = 2(PA→·PD→)
∵ AP = 2PD,AD = 3,∴ AP = 2,PD = 1
PA→ 与 PD→ 方向相反,PA→·PD→ = |PA→|·|PD→|·cos(π) = 2·1·(-1) = -2
∴ PA→·(PB→ + PC→) = 2·(-2) = -4
📝 例题(向量最值)
已知 |a→| = 1,|b→| = 2,求 |a→ + b→| 的最大值和最小值。
解:由三角不等式:||a→| - |b→|| ≤ |a→ + b→| ≤ |a→| + |b→|
∴ 1 ≤ |a→ + b→| ≤ 3
最大值 3(当 a→ 与 b→ 同向时),最小值 1(当 a→ 与 b→ 反向时)。
十一、解析几何
11.1 直线与方程
直线的倾斜角与斜率:
倾斜角 α:直线向上的方向与 x 轴正方向的夹角,0° ≤ α < 180°(0 ≤ α < π)
斜率 k = tan α(α ≠ 90°)
经过两点 (x₁,y₁), (x₂,y₂):k = (y₂-y₁)/(x₂-x₁)(x₁ ≠ x₂)
α = 90° 时斜率不存在(垂直于 x 轴)
直线方程的几种形式:
点斜式:y - y₀ = k(x - x₀)(不能表示斜率不存在的直线)
斜截式:y = kx + b(b 为 y 轴截距,不能表示斜率不存在的直线)
两点式:(y-y₁)/(y₂-y₁) = (x-x₁)/(x₂-x₁)(不能表示平行于坐标轴的直线)
截距式:x/a + y/b = 1(a,b 分别为 x,y 轴截距,不能表示过原点的直线和平行于坐标轴的直线)
一般式:Ax + By + C = 0(A, B 不同时为 0,可表示所有直线)
两直线的位置关系:
l₁: A₁x + B₁y + C₁ = 0,l₂: A₂x + B₂y + C₂ = 0
平行:A₁B₂ - A₂B₁ = 0 且 A₁C₂ - A₂C₁ ≠ 0
或 k₁ = k₂ 且 b₁ ≠ b₂(斜率存在时)
重合:A₁/A₂ = B₁/B₂ = C₁/C₂
垂直:A₁A₂ + B₁B₂ = 0
或 k₁ · k₂ = -1(斜率都存在时)
相交:A₁B₂ - A₂B₁ ≠ 0
距离公式:
两点间距离:|AB| = √[(x₂-x₁)² + (y₂-y₁)²]
点到直线距离:d = |Ax₀ + By₀ + C| / √(A² + B²)
两平行线距离(l₁: Ax + By + C₁ = 0,l₂: Ax + By + C₂ = 0):
d = |C₁ - C₂| / √(A² + B²)
直线系方程:
过两直线 l₁, l₂ 交点的直线系:
l₁ + λl₂ = 0(不包含 l₂ 本身)
与 Ax + By + C = 0 平行的直线:Ax + By + m = 0
与 Ax + By + C = 0 垂直的直线:Bx - Ay + m = 0
11.2 圆与方程
标准方程:(x-a)² + (y-b)² = r²(圆心 (a,b),半径 r)
一般方程:x² + y² + Dx + Ey + F = 0
圆心 (-D/2, -E/2),半径 r = √(D²+E²-4F)/2
需 D²+E²-4F > 0(否则不是圆)
点与圆的位置关系:
设点 P(x₀, y₀),圆心 C(a, b),半径 r:
d = |PC| = √[(x₀-a)² + (y₀-b)²]
d < r:点在圆内
d = r:点在圆上
d > r:点在圆外
直线与圆的位置关系:
设圆心到直线的距离为 d,圆的半径为 r:
弦长公式:L = 2√(r² - d²)
弦的中点到直线的距离为 d
切线方程(点 (x₀,y₀) 在圆 (x-a)² + (y-b)² = r² 上):
(x₀-a)(x-a) + (y₀-b)(y-b) = r²
从圆外一点 P 作切线,切线长 = √(d² - r²)
两圆的位置关系:
设两圆圆心距为 d,半径分别为 r₁, r₂(r₁ ≥ r₂):
d > r₁ + r₂:外离(4 条公切线)
d = r₁ + r₂:外切(3 条公切线)
r₁ - r₂ < d < r₁ + r₂:相交(2 条公切线)
d = r₁ - r₂:内切(1 条公切线)
0 ≤ d < r₁ - r₂:内含(0 条公切线)
d = 0:同心圆
圆系方程:
过两圆 C₁ = 0 和 C₂ = 0 交点的圆系:C₁ + λC₂ = 0(λ ≠ -1)
λ = -1 时为两圆的公共弦方程(或公共切线)
11.3 椭圆
标准方程(焦点在 x 轴):x²/a² + y²/b² = 1(a > b > 0)
焦点 F₁(-c, 0), F₂(c, 0)
标准方程(焦点在 y 轴):y²/a² + x²/b² = 1(a > b > 0)
焦点 F₁(0, -c), F₂(0, c)
基本关系:c² = a² - b²(a > b > 0, c > 0)
定义:|PF₁| + |PF₂| = 2a(2a > |F₁F₂| = 2c)
离心率:e = c/a(0 < e < 1)
e 越大椭圆越扁,e 越小越接近圆
准线:x = ±a²/c(焦点在 x 轴)或 y = ±a²/c(焦点在 y 轴)
焦半径公式(焦点在 x 轴):
|PF₁| = a + ex₀(左焦点)
|PF₂| = a - ex₀(右焦点)
其中 P(x₀, y₀) 为椭圆上的点
焦点弦长(过焦点的弦):
通径(垂直于长轴的焦点弦)= 2b²/a
|AB| = 2a - e(x₁ + x₂)(过右焦点时)
离心率 e 与半角的关系:
若 ∠F₁PF₂ = θ,则 cos(θ/2) = ... 等结论
椭圆的光学性质:
从椭圆一个焦点发出的光线,经椭圆反射后经过另一个焦点。
11.4 双曲线
标准方程(焦点在 x 轴):x²/a² - y²/b² = 1(a > 0, b > 0)
焦点 F₁(-c, 0), F₂(c, 0)
标准方程(焦点在 y 轴):y²/a² - x²/b² = 1(a > 0, b > 0)
焦点 F₁(0, -c), F₂(0, c)
基本关系:c² = a² + b²
定义:||PF₁| - |PF₂|| = 2a(0 < 2a < |F₁F₂| = 2c)
注意:去掉绝对值后只表示双曲线的一支
离心率:e = c/a(e > 1)
e 越大开口越大
渐近线:
焦点在 x 轴:y = ±(b/a)x
焦点在 y 轴:y = ±(a/b)x
准线:x = ±a²/c(焦点在 x 轴)
焦半径公式(焦点在 x 轴,P 在右支 x₀ > 0):
|PF₁| = a + ex₀(左焦点)
|PF₂| = -a + ex₀ = ex₀ - a(右焦点)
等轴双曲线:a = b,e = √2,渐近线互相垂直(y = ±x)
双曲线的光学性质:
从一个焦点发出的光线,经双曲线反射后,反射光线的反向延长线经过另一个焦点。
11.5 抛物线
标准方程(四种形式):
① y² = 2px(p > 0):焦点 (p/2, 0),准线 x = -p/2,开口向右
② y² = -2px:焦点 (-p/2, 0),准线 x = p/2,开口向左
③ x² = 2py:焦点 (0, p/2),准线 y = -p/2,开口向上
④ x² = -2py:焦点 (0, -p/2),准线 y = p/2,开口向下
定义:|PF| = d(到焦点距离 = 到准线距离)
焦点弦长(以 y² = 2px 为例,弦过焦点 (p/2, 0)):
|AB| = x₁ + x₂ + p
通径(垂直于对称轴的焦点弦)= 2p
焦点弦性质:
x₁x₂ = p²/4
y₁y₂ = -p²
1/|AF| + 1/|BF| = 2/p
抛物线的光学性质:
从焦点发出的光线经抛物面反射后平行于对称轴射出
平行于对称轴的光线经抛物面反射后汇聚到焦点
11.6 曲线与方程
求曲线方程的步骤:
11.7 直线与圆锥曲线的联立(核心解题方法)
💡 联立法的标准步骤
① 设直线方程(注意斜率是否存在,可设为 x = my + n 避免讨论)
② 与曲线方程联立,消元得一元二次方程
③ 写出判别式 Δ > 0(确保相交)
④ 利用韦达定理:x₁ + x₂ = -B/A,x₁·x₂ = C/A
⑤ 根据题意建立目标表达式(弦长、面积、中点等)
⑥ 将韦达定理的结果代入求解
弦长公式(直线 y = kx + m 与曲线相交):
|AB| = √(1+k²) · |x₁ - x₂|
= √(1+k²) · √[(x₁+x₂)² - 4x₁x₂]
= √(1+k²) · √(Δ/A²) = √(1+k²) · √Δ / |A|
若直线为 x = my + n:
|AB| = √(1+m²) · |y₁ - y₂|
中点弦问题:
设弦 AB 的中点为 M(x₀, y₀):
利用"点差法"——将 A(x₁,y₁), B(x₂,y₂) 分别代入曲线方程,
两式相减,利用 x₁²-x₂² = (x₁+x₂)(x₁-x₂) 等化简,
得到斜率 k 与中点坐标的关系。
📝 例题(直线与圆)
已知圆 C: (x-1)² + (y-2)² = 25,直线 l: (2m+1)x + (m+1)y - 7m - 4 = 0(m 为任意实数)。
(1)证明直线 l 恒过定点;(2)求直线 l 被圆截得的最短弦长。
解(1):整理直线方程:(2x + y - 7)m + (x + y - 4) = 0
∵ 对任意 m 成立,∴ 2x + y - 7 = 0 且 x + y - 4 = 0
解得 x = 3, y = 1,∴ 恒过定点 P(3, 1)
解(2):验证 P 在圆内:(3-1)² + (1-2)² = 4 + 1 = 5 < 25 ✓
最短弦 ⊥ CP,其中 C(1,2) 为圆心
|CP| = √(4+1) = √5
最短弦长 = 2√(r² - |CP|²) = 2√(25 - 5) = 2√20 = 4√5
📝 例题(椭圆综合)
椭圆 x²/4 + y²/3 = 1,过右焦点 F 的直线 l 交椭圆于 A、B 两点。
(1)求 |AB| 的最小值;(2)若 |AF| = 2|BF|,求直线 l 的斜率。
解:a² = 4, b² = 3, c² = 1,F(1, 0)
(1)通径最短:|AB|_min = 2b²/a = 2·3/2 = 3
(2)设直线 l: x = my + 1(避免讨论斜率)
代入椭圆:(my+1)²/4 + y²/3 = 1
3(my+1)² + 4y² = 12
(3m²+4)y² + 6my - 9 = 0
设 A(x₁,y₁), B(x₂,y₂)
y₁ + y₂ = -6m/(3m²+4),y₁y₂ = -9/(3m²+4)
|AF| = 2|BF|,由焦点弦性质...
实际上用焦半径更方便:|AF| = a - ex₁ = 2 - x₁/2,|BF| = 2 - x₂/2
|AF| = 2|BF| → 2 - x₁/2 = 2(2 - x₂/2) = 4 - x₂
x₂ - x₁/2 = 2 ①
x₁ + x₂ = m(y₁+y₂) + 2 = -6m²/(3m²+4) + 2 = 8/(3m²+4)
x₁x₂ = (my₁+1)(my₂+1) = m²y₁y₂ + m(y₁+y₂) + 1 = -9m²/(3m²+4) - 6m²/(3m²+4) + 1 = 4(1-3m²)/(3m²+4)... 比较复杂
由 ① x₂ = 2 + x₁/2,代入韦达定理可解。
📝 例题(抛物线焦点弦)
抛物线 y² = 4x 的焦点弦 AB 的长为 7,求 AB 的斜率。
解:2p = 4,p = 2,焦点 F(1, 0)
|AB| = x₁ + x₂ + p = x₁ + x₂ + 2 = 7,∴ x₁ + x₂ = 5
设直线 AB: y = k(x-1) 代入 y² = 4x:
k²(x-1)² = 4x → k²x² - (2k²+4)x + k² = 0
x₁ + x₂ = (2k²+4)/k² = 2 + 4/k² = 5
4/k² = 3 → k² = 4/3 → k = ±2/√3 = ±2√3/3
十二、立体几何
12.1 空间几何体
常见几何体分类:
棱柱的分类:
按底面边数:三棱柱、四棱柱、五棱柱...
按侧棱与底面的关系:
斜棱柱:侧棱不垂直于底面
直棱柱:侧棱垂直于底面
正棱柱:直棱柱 + 底面为正多边形
棱锥的分类:
按底面边数:三棱锥(四面体)、四棱锥...
正棱锥:底面为正多边形,顶点在底面的射影为底面中心
性质:侧面为全等的等腰三角形
表面积与体积公式:
柱体:V = Sh(S 为底面积,h 为高)
侧面积 = 底面周长 × 高(直棱柱)
锥体:V = (1/3)Sh
正棱锥侧面积 = (1/2) × 底面周长 × 斜高
台体:V = (1/3)h(S₁ + √(S₁S₂) + S₂)
圆柱:S_侧 = 2πrh(r 为底面半径,h 为高)
S_全 = 2πrh + 2πr² = 2πr(h + r)
V = πr²h
圆锥:S_侧 = πrl(l 为母线 = √(r²+h²))
S_全 = πrl + πr²
V = (1/3)πr²h
圆台:S_侧 = π(r₁ + r₂)l
V = (1/3)πh(r₁² + r₁r₂ + r₂²)
球:S = 4πR²
V = (4/3)πR³
球的内切与外接:
正方体(棱长 a):
内切球半径:r = a/2
外接球半径:R = √3·a/2(体对角线的一半)
正四面体(棱长 a):
内切球半径:r = √6·a/12
外接球半径:R = √6·a/4
r : R = 1 : 3
长方体(a × b × c):
外接球半径:R = √(a²+b²+c²)/2(体对角线的一半)
12.2 空间点、线、面的位置关系
空间中两直线的位置关系:
直线与平面的位置关系:
两平面的位置关系:
12.3 平行与垂直的判定定理
(一)平行关系
线面平行的判定定理:
定理
平面外一条直线与平面内一条直线平行,则该直线与此平面平行。
(线线平行 → 线面平行)
即:a ⊄ α,b ⊂ α,a ∥ b ⟹ a ∥ α
线面平行的性质定理:
定理
一条直线与一个平面平行,经过该直线的平面与此平面相交,则该直线与交线平行。
(线面平行 → 线线平行)
即:a ∥ α,a ⊂ β,α ∩ β = b ⟹ a ∥ b
面面平行的判定定理:
定理
一个平面内有两条相交直线都平行于另一个平面,则这两个平面平行。
即:a ⊂ α,b ⊂ α,a ∩ b = P,a ∥ β,b ∥ β ⟹ α ∥ β
面面平行的性质定理:
① α ∥ β,γ ∩ α = a,γ ∩ β = b ⟹ a ∥ b
② α ∥ β,a ⊂ α ⟹ a ∥ β
③ 平行于同一平面的两平面平行(传递性)
(二)垂直关系
线面垂直的判定定理:
定理
一条直线与平面内两条相交直线都垂直,则该直线与此平面垂直。
即:a ⊂ α,b ⊂ α,a ∩ b = P,l ⊥ a,l ⊥ b ⟹ l ⊥ α
线面垂直的性质定理:
① l ⊥ α ⟹ l 垂直于 α 内所有直线
② l ⊥ α,a ∥ l ⟹ a ⊥ α
③ l ⊥ α,l ⊥ β ⟹ α ∥ β
④ α ⊥ β,l ⊥ α ⟹ l ∥ β 或 l ⊂ β
面面垂直的判定定理:
定理
一个平面过另一个平面的垂线,则这两个平面垂直。
即:l ⊥ α,l ⊂ β ⟹ α ⊥ β
面面垂直的性质定理:
定理
两个平面垂直,一个平面内垂直于交线的直线垂直于另一个平面。
即:α ⊥ β,α ∩ β = l,a ⊂ α,a ⊥ l ⟹ a ⊥ β
12.4 空间角
(1)异面直线所成的角
平移使两异面直线相交,所成锐角(或直角)即为异面直线所成的角。
范围:(0°, 90°](即 (0, π/2])
向量法:cosθ = |cos
| = |a→·b→|/(|a→|·|b→|)
(2)直线与平面所成的角(线面角)
直线与其在平面上的射影所成的角。
范围:[0°, 90°](即 [0, π/2])
平行或在平面内时:0°
垂直时:90°
向量法:sinθ = |cos
| = |n→·l→|/(|n→|·|l→|) 其中 n→ 为平面法向量,l→ 为直线方向向量
(3)二面角
从一条直线(棱)出发的两个半平面所组成的图形。
二面角的平面角:在棱上取一点 O,在两个半平面内分别作
垂直于棱的射线 OA、OB,则 ∠AOB 为二面角的平面角。
范围:[0°, 180°](即 [0, π])
向量法:
设两个半平面的法向量分别为 n₁→, n₂→
cosθ = ±cos
= ±(n₁→·n₂→)/(|n₁→|·|n₂→|) (需根据实际判断取正还是取负,看两个法向量的方向) 简便判断:若两个法向量都指向二面角内侧或都指向外侧,则取负; 一个指内一个指外,则取正。
12.5 空间向量法(核心方法)
建立空间直角坐标系的原则:
求平面法向量的方法:
设平面 α 的法向量 n→ = (x, y, z)
在平面 α 内取两个不共线的向量 a→ = (a₁, a₂, a₃), b→ = (b₁, b₂, b₃)
由 n→ · a→ = 0 且 n→ · b→ = 0:
a₁x + a₂y + a₃z = 0
b₁x + b₂y + b₃z = 0
令其中一个分量(如 z = 1),解方程组得 n→
用空间向量求各种角(统一公式):
① 异面直线所成角:
cosθ = |a→·b→|/(|a→|·|b→|)(取绝对值)
② 线面角:
sinθ = |n→·l→|/(|n→|·|l→|)(注意是 sin 不是 cos)
③ 二面角:
cosθ = ±(n₁→·n₂→)/(|n₁→|·|n₂→|)(符号视情况而定)
空间中的距离:
点到平面的距离:
d = |AP→·n→|/|n→|(A 为平面上一点,P 为所求点,n→ 为法向量)
直线到平行平面的距离:
取直线上一点,转化为点到平面的距离
两平行平面间的距离:
取一个平面上一点,转化为点到平面的距离
📝 例题(线面角)
正方体 ABCD-A₁B₁C₁D₁ 中,求 A₁B 与平面 A₁B₁CD 所成的角。
解:设正方体棱长为 1,建立坐标系:
D(0,0,0), A(1,0,0), B(1,1,0), C(0,1,0)
D₁(0,0,1), A₁(1,0,1), B₁(1,1,1), C₁(0,1,1)
平面 A₁B₁CD 过点 A₁(1,0,1), B₁(1,1,1), C(0,1,0), D(0,0,0)
A₁B₁→ = (0,1,0),DC→ = (0,1,0),DA₁→ = (1,0,1)
法向量 n→:n→·A₁B₁→ = 0 → y = 0
n→·DA₁→ = 0 → x + z = 0 → z = -x
取 n→ = (1, 0, -1)
A₁B→ = B - A₁ = (0, 1, -1)
sinθ = |n→·A₁B→|/(|n→|·|A₁B→|) = |0 + 0 + 1|/(√2·√2) = 1/2
∴ θ = 30°
📝 例题(二面角)
正方体 ABCD-A₁B₁C₁D₁ 中,求二面角 A-BD₁-C 的大小。
解:设棱长为 1。
BD₁→ = (-1, 1, 1)(从 B(1,1,0) 到 D₁(0,0,1))
平面 ABD₁ 过 A(1,0,0), B(1,1,0), D₁(0,0,1)
AB→ = (0,1,0),AD₁→ = (-1,0,1)
法向量 n₁→:y = 0, -x+z = 0 → n₁→ = (1, 0, 1)
平面 CBD₁ 过 C(0,1,0), B(1,1,0), D₁(0,0,1)
CB→ = (1,0,0),CD₁→ = (0,-1,1)
法向量 n₂→:x = 0, -y+z = 0 → n₂→ = (0, 1, 1)
cos = (0 + 0 + 1)/(√2·√2) = 1/2
二面角 = 60° 或 120°,需根据图形判断。观察可知为 60°。
📝 例题(点到平面距离)
正三棱锥 P-ABC,底面边长为 2,侧棱长为 3,求顶点 P 到底面 ABC 的距离(即高)。
解:底面正三角形 ABC,边长 2,中心 O 到顶点距离 = (2/√3)
(正三角形中心到顶点距离 = (2/3) × 高 = (2/3) × √3 = 2√3/3)
PO² = PA² - OA² = 9 - (2√3/3)² = 9 - 4/3 = 23/3
PO = √(23/3) = √69/3
十三、导数与应用
13.1 导数的概念
函数 y = f(x) 在 x₀ 处的导数(瞬时变化率)定义为:
f'(x₀) = lim(Δx→0) [f(x₀ + Δx) - f(x₀)] / Δx
= lim(Δx→0) Δy/Δx
几何意义:f'(x₀) 是曲线 y = f(x) 在点 (x₀, f(x₀)) 处切线的斜率。
切线方程:
在点 (x₀, f(x₀)) 处的切线:y - f(x₀) = f'(x₀)(x - x₀)
注意区分两种问题:
① "在点 P 处的切线"——P 是切点
② "过点 P 的切线"——P 不一定是切点,需要设切点再求
导函数:
如果 f(x) 在开区间 (a,b) 内每一点都可导,则 f'(x) 也是一个函数,称为 f(x) 的导函数。
13.2 基本初等函数的导数公式
C' = 0(C 为常数)
(xⁿ)' = nxⁿ⁻¹(n ∈ Q*)
(sin x)' = cos x
(cos x)' = -sin x
(tan x)' = sec²x = 1/cos²x
(cot x)' = -csc²x = -1/sin²x
(aˣ)' = aˣ · ln a(a > 0, a ≠ 1)
(eˣ)' = eˣ
(logₐx)' = 1/(x · ln a)
(ln x)' = 1/x
(√x)' = 1/(2√x)
(1/x)' = -1/x²
13.3 导数的运算法则
(u ± v)' = u' ± v'
(uv)' = u'v + uv'(乘法法则/莱布尼茨法则)
(u/v)' = (u'v - uv')/v²(除法法则,v ≠ 0)
复合函数(链式法则):
[f(g(x))]' = f'(g(x)) · g'(x)
即 dy/dx = (dy/du) · (du/dx),其中 u = g(x)
常见复合函数的导数:
(ln(ax+b))' = a/(ax+b)
(e^(ax+b))' = a·e^(ax+b)
(sin(ax+b))' = a·cos(ax+b)
((ax+b)ⁿ)' = na(ax+b)ⁿ⁻¹
13.4 导数与函数的单调性
定理
在区间 (a, b) 内:
• f'(x) > 0 ⟹ f(x) 在该区间上单调递增
• f'(x) < 0 ⟹ f(x) 在该区间上单调递减
• f'(x) = 0(有限个点)不影响单调性
求单调区间的步骤:
已知单调性求参数范围:
f(x) 在区间 D 上单调递增 ⟺ f'(x) ≥ 0 在 D 上恒成立
(且 f'(x) = 0 的点不能构成区间)
f(x) 在区间 D 上单调递减 ⟺ f'(x) ≤ 0 在 D 上恒成立
13.5 导数与极值、最值
极值的判定:
极值的必要条件:若 f(x) 在 x₀ 处可导且取极值,则 f'(x₀) = 0
(反之不成立!如 f(x) = x³ 在 x = 0 处 f'(0) = 0 但非极值点)
极值的充分条件(第一充分条件):
f'(x) 在 x₀ 左侧为正、右侧为负 → f(x₀) 为极大值(左正右负)
f'(x) 在 x₀ 左侧为负、右侧为正 → f(x₀) 为极小值(左负右正)
第二充分条件:
f'(x₀) = 0 且 f''(x₀) < 0 → f(x₀) 为极大值
f'(x₀) = 0 且 f''(x₀) > 0 → f(x₀) 为极小值
求闭区间 [a, b] 上最值的步骤:
13.6 导数的综合应用
(1)证明不等式
方法:构造辅助函数 g(x) = f(x) - h(x)(或 f(x)/h(x) 等),利用导数分析 g(x) 的单调性,证明 g(x) ≥ 0 或 g(x) ≤ 0。
常见构造:
证明 f(x) > g(x) → 构造 h(x) = f(x) - g(x),证 h(x) > 0
证明 f(x)/g(x) > 1 → 构造 h(x) = f(x)/g(x),证 h(x) > 1
证明 x·f(x) > g(x) → 构造 h(x) = x·f(x) - g(x)
关键技巧:找好"切点",利用 h(x₀) = 0 和 h'(x₀) = 0 的条件
(2)求参数范围
将条件转化为关于参数的恒成立、存在性等问题。
f(x) ≥ a 恒成立 ⟺ f(x)_min ≥ a
f(x) ≤ a 恒成立 ⟺ f(x)_max ≤ a
存在 x 使 f(x) ≥ a ⟺ f(x)_max ≥ a
存在 x 使 f(x) ≤ a ⟺ f(x)_min ≤ a
对任意 x₁,存在 x₂,使 f(x₁) ≥ g(x₂) ⟺ f_min ≥ g_min
存在 x₁,对任意 x₂,使 f(x₁) ≥ g(x₂) ⟺ f_max ≥ g_max
(3)零点问题
利用导数分析函数的单调性和极值,结合零点存在定理判断零点个数。
零点存在定理:若 f(x) 在 [a,b] 上连续,且 f(a)·f(b) < 0,
则 f(x) 在 (a,b) 内至少有一个零点。
判断零点个数的步骤:
① 求 f'(x),列表分析 f(x) 的单调性和极值
② 根据极值的符号和函数的极限(端点值)判断
③ 在每个单调区间上最多一个零点
(4)恒成立与存在性问题
"任意 x₁,任意 x₂" → f_max 与 g_min 的关系
"任意 x₁,存在 x₂" → f_max 与 g_max 的关系
"存在 x₁,任意 x₂" → f_min 与 g_min 的关系
"存在 x₁,存在 x₂" → f_min 与 g_max 的关系
13.7 高阶导数与泰勒展开(拓展)
二阶导数:f''(x) = (f'(x))'
f''(x) > 0:曲线向上凹(凹函数)
f''(x) < 0:曲线向下凸(凸函数)
f''(x₀) = 0 且 f''(x) 在 x₀ 两侧变号:拐点
泰勒展开(麦克劳林展开):
eˣ = 1 + x + x²/2! + x³/3! + ...
ln(1+x) = x - x²/2 + x³/3 - ...(|x| < 1)
sin x = x - x³/3! + x⁵/5! - ...
cos x = 1 - x²/2! + x⁴/4! - ...
📝 例题(求单调区间和极值)
求 f(x) = x³ - 3x + 1 的单调区间和极值。
解:f'(x) = 3x² - 3 = 3(x-1)(x+1) = 0,得 x = -1 或 x = 1
| x | (-∞,-1) | -1 | (-1,1) | 1 | (1,+∞) |
|---|---|---|---|---|---|
| f'(x) | + | 0 | - | 0 | + |
| f(x) | ↗ | 3(极大) | ↘ | -1(极小) | ↗ |
极大值 f(-1) = 3,极小值 f(1) = -1。
递增区间:(-∞,-1) 和 (1,+∞);递减区间:(-1,1)。
📝 例题(切线问题)
求曲线 y = x³ 过点 (1, 1) 的切线方程。
解:注意"过点"不等于"在点处",需要设切点为 (a, a³)。
y' = 3x²,切线斜率 k = 3a²
切线方程:y - a³ = 3a²(x - a)
代入点 (1,1):1 - a³ = 3a²(1 - a) = 3a² - 3a³
2a³ - 3a² + 1 = 0
(a-1)(2a² - a - 1) = 0 → (a-1)(2a+1)(a-1) = 0 → (a-1)²(2a+1) = 0
a = 1 或 a = -1/2
a = 1 时:k = 3,切线 y = 3x - 2
a = -1/2 时:k = 3/4,切线 y - (-1/8) = (3/4)(x + 1/2),即 y = (3/4)x + 1/4
∴ 过 (1,1) 有两条切线:y = 3x - 2 和 y = (3/4)x + 1/4
📝 例题(证明不等式)
证明:当 x > 0 时,eˣ > 1 + x。
证明:设 g(x) = eˣ - 1 - x,x > 0
g'(x) = eˣ - 1 > 0(当 x > 0 时)
∴ g(x) 在 (0, +∞) 上单调递增
g(x) > g(0) = 1 - 1 - 0 = 0
∴ eˣ > 1 + x(x > 0)。
📝 例题(恒成立求参数)
已知 f(x) = x·ln x - ax² + a,若 f(x) ≤ 0 对所有 x > 0 恒成立,求 a 的范围。
解:需 x·ln x - ax² + a ≤ 0 对所有 x > 0 恒成立
即 a(x² - 1) ≥ x·ln x
x = 1 时:0 ≥ 0 ✓
x > 1 时:a ≥ (x·ln x)/(x² - 1)
0 < x < 1 时:a ≤ (x·ln x)/(x² - 1)(注意 x²-1 < 0 要变号)
设 g(x) = (x·ln x)/(x² - 1)(x ≠ 1)
需要分析 g(x) 在 (0,1) 和 (1,+∞) 上的极值...
lim(x→1) g(x) = lim(x→1) (ln x + 1)/(2x) = 1/2(洛必达法则)
经过分析可得 a ≥ 1/2 且 a ≤ 1/2,所以 a = 1/2。
📝 例题(零点个数)
讨论 f(x) = x³ - 3x + a 的零点个数。
解:f'(x) = 3x² - 3 = 3(x-1)(x+1) = 0,x = ±1
极大值 f(-1) = -1 + 3 + a = a + 2
极小值 f(1) = 1 - 3 + a = a - 2
x → -∞ 时 f(x) → -∞,x → +∞ 时 f(x) → +∞
| 条件 | 零点个数 |
|---|---|
| a + 2 < 0,即 a < -2 | 1 个 |
| a + 2 = 0,即 a = -2 | 2 个 |
| -2 < a < 2 | 3 个 |
| a - 2 = 0,即 a = 2 | 2 个 |
| a - 2 > 0,即 a > 2 | 1 个 |
十四、算法初步
14.1 算法的概念
算法是按照一定规则解决某一类问题的明确而有限的步骤。
算法的特征:
14.2 程序框图(流程图)
基本框图符号:
终端框(起止框):圆角矩形,表示开始/结束
输入/输出框:平行四边形
处理框(执行框):矩形
判断框:菱形
流程线:带箭头的线
注释框:虚线矩形
三种基本逻辑结构:
(1)顺序结构:
按顺序依次执行各个步骤。
(2)条件结构(选择结构):
根据条件判断选择不同的执行路径。
IF 条件 THEN
执行语句1
ELSE
执行语句2
END IF
(3)循环结构:
重复执行某些步骤。
当型循环(WHILE 型):
WHILE 条件
循环体
END WHILE
(先判断后执行)
直到型循环(UNTIL 型):
DO
循环体
LOOP UNTIL 条件
(先执行后判断)
14.3 基本算法语句
输入输出语句:
INPUT "提示内容";变量
PRINT "提示内容";表达式
赋值语句:
变量 = 表达式(将右边赋给左边)
条件语句:
格式一:IF 条件 THEN 语句 END IF
格式二:IF 条件 THEN 语句1 ELSE 语句2 END IF
循环语句:
WHILE 条件
循环体
WEND
DO
循环体
LOOP UNTIL 条件
FOR i = 初值 TO 终值 STEP 步长
循环体
NEXT i
14.4 常见算法
(1)辗转相除法(欧几里得算法):
求两个正整数的最大公约数。
步骤:m = nq + r
若 r = 0,则 n 为最大公约数
若 r ≠ 0,则 m = n, n = r,重复上述步骤
例:求 8251 与 6105 的最大公约数
8251 = 6105×1 + 2146
6105 = 2146×2 + 1813
2146 = 1813×1 + 333
1813 = 333×5 + 148
333 = 148×2 + 37
148 = 37×4 + 0
∴ GCD = 37
(2)更相减损术:
《九章算术》中的方法,用减法求最大公约数。
步骤:两个数相减,差与较小数再相减,直到两数相等
该数即为最大公约数
(3)秦九韶算法:
求多项式 f(x) = aₙxⁿ + aₙ₋₁xⁿ⁻¹ + ... + a₁x + a₀ 在 x = x₀ 处的值。
f(x) = (...((aₙx + aₙ₋₁)x + aₙ₋₂)x + ... + a₁)x + a₀
令 v₀ = aₙ
v₁ = v₀x + aₙ₋₁
v₂ = v₁x + aₙ₋₂
...
vₙ = vₙ₋₁x + a₀
共 n 次乘法和 n 次加法(比直接计算高效)
(4)进位制:
k 进制转十进制:按权展开求和
如 (1011)₂ = 1×2³ + 0×2² + 1×2¹ + 1×2⁰ = 8+0+2+1 = 11
十进制转 k 进制:除 k 取余,逆序排列
如 11 转二进制:11÷2=5...1, 5÷2=2...1, 2÷2=1...0, 1÷2=0...1
逆序读取:(1011)₂
📝 例题(秦九韶算法)
用秦九韶算法求 f(x) = 2x⁴ + 3x³ - x² + 5x - 4 在 x = 2 时的值。
解:f(x) = (((2x + 3)x - 1)x + 5)x - 4
v₀ = 2
v₁ = 2×2 + 3 = 7
v₂ = 7×2 - 1 = 13
v₃ = 13×2 + 5 = 31
v₄ = 31×2 - 4 = 58
∴ f(2) = 58
📝 例题(辗转相除法)
求 325 和 130 的最大公约数。
解:325 = 130×2 + 65
130 = 65×2 + 0
∴ GCD(325, 130) = 65
十五、概率与统计
15.1 计数原理
分类加法计数原理:
完成一件事有 n 类方法,各类分别有 m₁, m₂, ..., mₙ 种方法,则总方法数为 m₁ + m₂ + ... + mₙ。
分步乘法计数原理:
完成一件事需 n 个步骤,各步骤分别有 m₁, m₂, ..., mₙ 种方法,则总方法数为 m₁ × m₂ × ... × mₙ。
15.2 排列与组合
排列数(有序):A(n,m) = P(n,m) = n!/(n-m)! = n(n-1)(n-2)...(n-m+1)
组合数(无序):C(n,m) = n!/[m!(n-m)!] = A(n,m)/m!
阶乘:n! = n(n-1)(n-2)...2·1,0! = 1
组合数性质:
C(n,m) = C(n,n-m)(对称性)
C(n,m) = C(n-1,m-1) + C(n-1,m)(杨辉三角/帕斯卡公式)
Σ(k=0 to n) C(n,k) = 2ⁿ
排列与组合的关系:A(n,m) = C(n,m) · m!
常见排列组合问题的解题策略:
①
特殊元素/特殊位置优先:
有限制条件的先安排
②
捆绑法:
要求相邻的元素捆绑成一个整体
③
插空法:
要求不相邻的元素插入其他元素的空隙
④
隔板法:
将 n 个相同元素分成 m 份,每份至少 1 个:C(n-1, m-1)
⑤
间接法:
总数减去不符合条件的数
⑥
分组分配问题:
先分组(注意均匀分组要除以阶乘)再分配
⑦
定序问题:
先排好再除以排列数
15.3 二项式定理
(a + b)ⁿ = Σ(k=0 to n) C(n,k) · aⁿ⁻ᵏ · bᵏ
通项:T(k+1) = C(n,k) · aⁿ⁻ᵏ · bᵏ(k = 0, 1, 2, ..., n)
特殊形式:
(1 + x)ⁿ = Σ(k=0 to n) C(n,k) · xᵏ
(1 - x)ⁿ = Σ(k=0 to n) C(n,k) · (-1)ᵏ · xᵏ
(a - b)ⁿ = Σ(k=0 to n) C(n,k) · aⁿ⁻ᵏ · (-b)ᵏ
二项式系数性质:
① 对称性:C(n,k) = C(n,n-k)
② 增减性:先增后减,中间项系数最大
n 为偶数:中间一项 C(n, n/2) 最大
n 为奇数:中间两项 C(n, (n-1)/2) = C(n, (n+1)/2) 最大
③ 各项二项式系数之和:令 a = b = 1,ΣC(n,k) = 2ⁿ
④ 奇数项二项式系数之和 = 偶数项二项式系数之和 = 2ⁿ⁻¹
求特定项的方法:
利用通项公式 T(k+1) = C(n,k)·aⁿ⁻ᵏ·bᵏ,令 x 的指数为指定值,解出 k。
15.4 概率基础
(1)随机事件的概率:
必然事件:P = 1
不可能事件:P = 0
随机事件:0 < P < 1
频率 = n_A/n(n 次试验中 A 发生的次数/总次数)
当 n → ∞ 时,频率趋近于概率
(2)古典概型:
P(A) = A 包含的基本事件数 / 基本事件总数
特征:有限性、等可能性
(3)几何概型:
P(A) = 构成事件 A 的区域长度(面积、体积)/ 全部区域的长度(面积、体积)
特征:无限性、等可能性
(4)互斥事件与对立事件:
互斥(互不相容):A ∩ B = ∅(不能同时发生)
P(A ∪ B) = P(A) + P(B)(互斥事件)
对立:A ∩ B = ∅ 且 A ∪ B = 必然事件
P(A) + P(B) = 1,即 P(B) = 1 - P(A)
A 的对立事件记作 A̅
15.5 条件概率与独立事件
(1)条件概率:
P(B|A) = P(AB) / P(A)(在 A 发生的条件下 B 发生的概率)
性质:0 ≤ P(B|A) ≤ 1
P(B∪C|A) = P(B|A) + P(C|A)(B, C 互斥时)
(2)乘法公式:
P(AB) = P(A) · P(B|A) = P(B) · P(A|B)
(3)全概率公式:
设 B₁, B₂, ..., Bₙ 是样本空间的一个划分(互不相容,并为必然事件):
P(A) = Σ(i=1 to n) P(Bᵢ) · P(A|Bᵢ)
(4)贝叶斯公式:
P(Bᵢ|A) = P(Bᵢ) · P(A|Bᵢ) / P(A)
= P(Bᵢ) · P(A|Bᵢ) / Σ(j=1 to n) P(Bⱼ) · P(A|Bⱼ)
(5)独立事件:
A, B 独立 ⟺ P(AB) = P(A) · P(B)
此时 P(B|A) = P(B)(A 的发生不影响 B)
若 A, B 独立,则 A 与 B̅、A̅ 与 B、A̅ 与 B̅ 也独立
n 个独立事件至少一个发生的概率:
P = 1 - P(A̅₁) · P(A̅₂) · ... · P(A̅ₙ) = 1 - (1-P₁)(1-P₂)...(1-Pₙ)
15.6 随机变量及其分布
(1)离散型随机变量:
取值为有限个或可数无限个的随机变量。用分布列(概率分布表)表示。
分布列:X = xᵢ,P(X = xᵢ) = pᵢ(i = 1, 2, ...)
性质:pᵢ ≥ 0,Σpᵢ = 1
(2)数学期望(均值):
E(X) = Σ xᵢ · pᵢ
性质:
E(aX + b) = aE(X) + b
E(X + Y) = E(X) + E(Y)(无需独立)
若 X, Y 独立:E(XY) = E(X) · E(Y)
(3)方差:
D(X) = E[(X - E(X))²] = E(X²) - [E(X)]²
= Σ (xᵢ - E(X))² · pᵢ
性质:
D(aX + b) = a²D(X)
若 X, Y 独立:D(X + Y) = D(X) + D(Y)
(4)常见离散分布:
二项分布 X ~ B(n, p):
(n 次独立重复试验中成功的次数)
P(X=k) = C(n,k) · pᵏ · (1-p)ⁿ⁻ᵏ(k = 0, 1, ..., n)
E(X) = np,D(X) = np(1-p)
超几何分布:
(不放回抽样)
总体 N 个,其中 M 个合格品,抽 n 个,合格数 X:
P(X=k) = C(M,k) · C(N-M, n-k) / C(N,n)
E(X) = nM/N
两点分布(0-1 分布):
P(X=1) = p,P(X=0) = 1-p
E(X) = p,D(X) = p(1-p)
(5)正态分布:
X ~ N(μ, σ²)
概率密度函数:f(x) = (1/(σ√(2π))) · e^(-(x-μ)²/(2σ²))
性质:
① 关于 x = μ 对称
② σ 越小,曲线越"瘦高"(数据越集中)
③ σ 越大,曲线越"矮胖"(数据越分散)
④ μ 决定位置,σ 决定形状
3σ原则:
P(μ - σ < X < μ + σ) ≈ 68.3%
P(μ - 2σ < X < μ + 2σ) ≈ 95.4%
P(μ - 3σ < X < μ + 3σ) ≈ 99.7%
标准化:Z = (X - μ)/σ ~ N(0, 1)(标准正态分布)
P(X < x) = Φ((x - μ)/σ)
15.7 统计
(1)抽样方法:
简单随机抽样:
逐个不放回抽取
方法:抽签法、随机数表法
特点:总体个数较少时适用
系统抽样(等距抽样):
步骤:编号 → 分段(间隔 k = N/n)→ 确定起始号 → 等距抽取
特点:总体个数较多时适用
分层抽样:
按各类别占总体的比例抽取
特点:总体由差异明显的几部分组成时适用
(2)用样本估计总体:
频率分布直方图:
纵轴 = 频率/组距
各小矩形面积之和 = 1
中位数:使左右面积各为 0.5 的值
众数:最高小矩形的中点
茎叶图:
保留原始数据信息
样本均值:
x̄ = (1/n)Σxᵢ
样本方差:
s² = (1/n)Σ(xᵢ - x̄)² = (1/n)Σxᵢ² - x̄²
样本标准差:
s = √(s²)
修正样本方差(无偏估计):
s² = (1/(n-1))Σ(xᵢ - x̄)²
(3)回归分析:
线性回归方程:
ŷ = b̂x + â
b̂ = Σ(xᵢ - x̄)(yᵢ - ȳ) / Σ(xᵢ - x̄)²
= (Σxᵢyᵢ - nx̄ȳ) / (Σxᵢ² - nx̄²)
â = ȳ - b̂x̄
性质:回归直线一定过样本中心点 (x̄, ȳ)
相关系数:
r = Σ(xᵢ - x̄)(yᵢ - ȳ) / √[Σ(xᵢ - x̄)² · Σ(yᵢ - ȳ)²]
|r| 越接近 1,线性相关性越强
|r| 越接近 0,线性相关性越弱
|r| > 0.75 通常认为线性相关性很强
相关指数 R²(决定系数):
R² = 1 - Σ(yᵢ - ŷᵢ)² / Σ(yᵢ - ȳ)²
R² 越接近 1,回归效果越好
(4)独立性检验:
2×2 列联表:
| B | B̅ | 合计
A | a | b | a+b
A̅ | c | d | c+d
合计 | a+c | b+d | n
卡方统计量:
χ² = n(ad-bc)² / [(a+b)(c+d)(a+c)(b+d)]
χ² 越大,说明两变量有关联的把握越大。
临界值表(自由度 = 1):
P(χ² ≥ 2.706) ≈ 0.10(90% 的把握)
P(χ² ≥ 3.841) ≈ 0.05(95% 的把握)
P(χ² ≥ 6.635) ≈ 0.01(99% 的把握)
P(χ² ≥ 10.828) ≈ 0.001(99.9% 的把握)
📝 例题(排列组合——捆绑法)
5 人站成一排,甲乙必须相邻,有多少种排法?
解:将甲乙捆绑成一个整体,与其余 3 人共 4 个元素全排列:A(4,4) = 4! = 24
甲乙内部可以互换:2 种
总排法 = 24 × 2 = 48 种
📝 例题(排列组合——插空法)
7 人站一排,甲乙丙互不相邻,有多少种排法?
解:先排其他 4 人:A(4,4) = 24 种
4 人产生 5 个空位(包括两端),从 5 个空位中选 3 个给甲乙丙:A(5,3) = 60 种
总排法 = 24 × 60 = 1440 种
📝 例题(二项式定理)
求 (2x - 1/x)⁶ 的展开式中 x² 的系数。
解:T(k+1) = C(6,k) · (2x)⁶⁻ᵏ · (-1/x)ᵏ = C(6,k) · 2⁶⁻ᵏ · (-1)ᵏ · x⁶⁻²ᵏ
令 6 - 2k = 2,得 k = 2
T₃ = C(6,2) · 2⁴ · (-1)² · x² = 15 · 16 · 1 · x² = 240x²
∴ x² 的系数为 240。
📝 例题(二项分布)
某射手每次命中率为 0.8,射击 5 次,求恰好命中 3 次的概率和命中次数的期望。
解:X ~ B(5, 0.8)
P(X = 3) = C(5,3) · 0.8³ · 0.2² = 10 · 0.512 · 0.04 = 0.2048
E(X) = np = 5 × 0.8 = 4
D(X) = np(1-p) = 5 × 0.8 × 0.2 = 0.8
📝 例题(全概率公式)
甲袋中有 3 红 2 白,乙袋中有 2 红 3 白。先从甲取一球放入乙,再从乙取一球。求第二次取到红球的概率。
解:设 B₁ 为"从甲取到红球",B₂ 为"从甲取到白球"
P(B₁) = 3/5,P(B₂) = 2/5
P(A|B₁) = 3/6 = 1/2(乙变成 3 红 3 白)
P(A|B₂) = 2/6 = 1/3(乙变成 2 红 4 白)
P(A) = P(B₁)·P(A|B₁) + P(B₂)·P(A|B₂) = (3/5)(1/2) + (2/5)(1/3) = 3/10 + 2/15 = 9/30 + 4/30 = 13/30
📝 例题(独立性检验)
调查 100 人,研究吸烟与患肺癌的关系,得到如下 2×2 列联表:
| 患肺癌 | 未患肺癌 | 合计 | |
|---|---|---|---|
| 吸烟 | 30 | 20 | 50 |
| 不吸烟 | 10 | 40 | 50 |
| 合计 | 40 | 60 | 100 |
判断吸烟与患肺癌是否有关。
解:χ² = 100×(30×40 - 20×10)² / (50×50×40×60)
= 100×(1200 - 200)² / (50×50×40×60)
= 100×1000² / 6000000
= 100×1000000 / 6000000 = 100000000/6000000 ≈ 16.67
∵ 16.67 > 10.828
∴ 有 99.9% 以上的把握认为吸烟与患肺癌有关。
📝 例题(回归分析)
已知 5 组数据:(1,2), (2,3), (3,5), (4,6), (5,8),求线性回归方程。
解:x̄ = (1+2+3+4+5)/5 = 3
ȳ = (2+3+5+6+8)/5 = 24/5 = 4.8
Σxᵢyᵢ = 1·2 + 2·3 + 3·5 + 4·6 + 5·8 = 2+6+15+24+40 = 87
Σxᵢ² = 1+4+9+16+25 = 55
b̂ = (87 - 5·3·4.8) / (55 - 5·9) = (87 - 72) / (55 - 45) = 15/10 = 1.5
â = 4.8 - 1.5·3 = 4.8 - 4.5 = 0.3
∴ 回归方程:ŷ = 1.5x + 0.3
十六、推理与证明
16.1 合情推理
(1)归纳推理:
由部分到整体、由个别到一般的推理。
步骤:
① 观察若干特例,发现规律
② 提出一般性的猜想
③ 证明猜想(通常用数学归纳法)
(2)类比推理:
由特殊到特殊的推理。根据两个(类)对象在某些属性上相同,推断它们在其他属性上也相同。
常见类比:
平面 → 空间:三角形 → 四面体,圆 → 球
长度 → 面积,面积 → 体积
平行 → 平行,垂直 → 垂直
中线 → 重心,中面 → 重心
16.2 演绎推理
由一般到特殊的推理。最典型的形式是三段论。
三段论:
大前提:已知的一般原理(M 是 P)
小前提:所研究的特殊情况(S 是 M)
结论:根据一般原理对特殊情况做出判断(S 是 P)
16.3 直接证明
(1)综合法:
由因导果。从已知条件出发,利用定义、公理、定理等,逐步推导出结论。
P(已知)→ P₁ → P₂ → ... → Q(结论)
(2)分析法:
执果索因。从结论出发,逐步寻找使其成立的充分条件,直到归结为已知条件或明显的事实。
Q(结论)← Q₁ ← Q₂ ← ... ← P(已知)
16.4 间接证明——反证法
假设结论不成立,由此推出矛盾,从而说明假设不成立,原结论成立。
步骤:
① 假设结论的反面成立
② 从假设出发进行推理
③ 推出矛盾(与已知条件、定义、公理、定理或假设本身矛盾)
④ 否定假设,肯定原结论
💡 适用反证法的常见情形
• 结论是否定形式("不是""不可能""不存在")
• 结论是"至多""至少"型
• 结论的反面比原结论更具体、更容易研究
• 唯一性问题
16.5 数学归纳法
证明关于正整数 n 的命题的一种方法。
步骤(第一数学归纳法):
① 基础步:验证 n = n₀(如 n = 1)时命题成立
② 归纳步:假设 n = k(k ≥ n₀)时命题成立,
证明 n = k+1 时命题也成立
③ 结论:由①②可知,命题对所有 n ≥ n₀ 的正整数成立
⚠️ 注意事项
① 两步缺一不可:没有基础步,归纳假设可能无根据;没有归纳步,只能说明个别情况
② 归纳步中必须用到归纳假设(n = k 时的结论)
③ 有时需要加强命题才能完成归纳(强归纳法)
第二数学归纳法(强归纳法):
① 验证 n = n₀ 时命题成立
② 假设 n₀ ≤ n ≤ k 时命题都成立,证明 n = k+1 时也成立
📝 例题(数学归纳法)
证明:1 + 2 + 3 + ... + n = n(n+1)/2
证明:
① 基础步:n = 1 时,左边 = 1,右边 = 1·2/2 = 1,左边 = 右边 ✓
② 归纳步:假设 n = k 时等式成立,即 1 + 2 + ... + k = k(k+1)/2
当 n = k+1 时:
左边 = 1 + 2 + ... + k + (k+1)
= k(k+1)/2 + (k+1)(利用归纳假设)
= (k+1)(k/2 + 1) = (k+1)(k+2)/2
= (k+1)((k+1)+1)/2 = 右边
∴ n = k+1 时等式也成立。
③ 结论:由①②可知,等式对所有正整数 n 成立。
📝 例题(反证法)
证明:√2 是无理数。
证明:假设 √2 是有理数,则 √2 = p/q(p, q 为互质的正整数)
2 = p²/q²,即 p² = 2q²
∴ p² 为偶数,p 为偶数。设 p = 2m
(2m)² = 2q² → 4m² = 2q² → q² = 2m²
∴ q² 为偶数,q 为偶数
这与 p, q 互质矛盾!
∴ 假设不成立,√2 是无理数。
📝 例题(分析法)
已知 a > 0, b > 0,证明:√a + √b ≤ √(2(a+b))。
证明:(分析法,从结论出发)
要证 √a + √b ≤ √(2(a+b))
只需证 (√a + √b)² ≤ 2(a+b)(两边都非负,可平方)
即 a + 2√(ab) + b ≤ 2a + 2b
即 2√(ab) ≤ a + b
这是基本不等式(均值不等式),成立。
以上各步均可逆,故原不等式成立。
📝 例题(归纳法——不等式)
证明:当 n ≥ 2 时,(1 + 1/n)ⁿ < 3。
证明:直接证明较困难,考虑用二项式展开:
(1 + 1/n)ⁿ = 1 + n·(1/n) + C(n,2)·(1/n)² + C(n,3)·(1/n)³ + ...
= 1 + 1 + n(n-1)/(2n²) + n(n-1)(n-2)/(6n³) + ...
< 1 + 1 + 1/2 + 1/2² + 1/2³ + ... (每项放大)
= 1 + (1 + 1/2 + 1/4 + 1/8 + ...) = 1 + 1/(1-1/2) = 1 + 2 = 3
∴ (1 + 1/n)ⁿ < 3。
十七、坐标系与参数方程
17.1 极坐标系
极坐标系的建立:
在平面上取一个定点 O(极点),从 O 引一条射线 Ox(极轴),再选定长度单位和角度方向(通常逆时针为正),就建立了极坐标系。
极坐标的表示:
点 M 的极坐标 (ρ, θ):
ρ = |OM|(极径,ρ ≥ 0)
θ = ∠xOM(极角)
极点:ρ = 0,θ 任意
同一点的极坐标不唯一:(ρ, θ + 2kπ) 或 (-ρ, θ + (2k+1)π)
极坐标与直角坐标的互化:
极坐标 → 直角坐标:
x = ρcosθ
y = ρsinθ
直角坐标 → 极坐标:
ρ² = x² + y²
tanθ = y/x(x ≠ 0)
θ 的象限由 x, y 的符号确定
常见曲线的极坐标方程:
圆心在极点的圆:ρ = r(r 为半径)
过极点且圆心在极轴上的圆:ρ = 2acosθ(圆心 (a,0),半径 a)
过极点且圆心在 y 轴上的圆:ρ = 2asinθ(圆心 (0,a),半径 a)
过极点且与极轴成 α 角的直线:θ = α
不过极点的直线:ρcos(θ - α) = d(d 为极点到直线的距离)
ρsinθ = a(水平线 y = a)
ρcosθ = a(竖直线 x = a)
圆锥曲线(焦点在极点):
ρ = ep/(1 - ecosθ)(e 为离心率,p 为焦准距)
0 < e < 1:椭圆,e = 1:抛物线,e > 1:双曲线
17.2 参数方程
参数方程的概念:
在取定的坐标系中,如果曲线上任意一点的坐标 x, y 都是某个变数 t 的函数:
x = f(t)
y = g(t)
(t 为参数,且 t 在一定范围内变化)
常见曲线的参数方程:
圆 x² + y² = r²:
x = r·cosθ
y = r·sinθ
(θ 为参数,0 ≤ θ < 2π)
圆 (x-a)² + (y-b)² = r²:
x = a + r·cosθ
y = b + r·sinθ
椭圆 x²/a² + y²/b² = 1:
x = a·cosθ
y = b·sinθ
(θ 为离心角,参数)
双曲线 x²/a² - y²/b² = 1:
x = a·secθ = a/cosθ
y = b·tanθ
(或 x = a·cosh t, y = b·sinh t)
抛物线 y² = 2px:
x = 2pt²
y = 2pt
(t 为参数,表示抛物线上点的斜率相关的量)
直线过点 (x₀, y₀),倾斜角 α:
x = x₀ + t·cosα
y = y₀ + t·sinα
(t 为参数,|t| 表示到 (x₀,y₀) 的距离,t 有正负号表示方向)
参数方程与普通方程的互化:
消参法:从参数方程中消去参数 t
① 代入消参:从一个式子解出 t 代入另一个
② 加减消参:两式相加、相减、相除
③ 三角消参:利用 sin²θ + cos²θ = 1 等恒等式
直线的参数方程的几何意义:
x = x₀ + t·cosα
y = y₀ + t·sinα
t 的几何意义:
|t| = 点 M(x,y) 到点 M₀(x₀,y₀) 的距离
t > 0:M 在 M₀ 的方向上
t < 0:M 在 M₀ 的反方向上
t = 0:M = M₀
设直线与曲线交于 A(t₁), B(t₂):
|AB| = |t₁ - t₂|
|MA|·|MB| = |t₁·t₂|
M 为 AB 中点 ⟺ t₁ + t₂ = 0
17.3 伸缩变换与坐标变换
平面直角坐标系中的伸缩变换:
x' = λx(λ > 0)
y' = μy(μ > 0)
例:将圆 x² + y² = 1 沿 y 轴伸缩 b 倍:
x' = x, y' = by → x = x', y = y'/b
代入:x'² + (y'/b)² = 1 → x² + y²/b² = 1(椭圆)
📝 例题(极坐标与直角坐标互化)
将极坐标方程 ρ = 4cosθ 化为直角坐标方程。
解:两边乘 ρ:ρ² = 4ρcosθ
x² + y² = 4x
x² - 4x + y² = 0
(x - 2)² + y² = 4
∴ 这是以 (2, 0) 为圆心、半径为 2 的圆。
📝 例题(参数方程应用)
椭圆 x²/9 + y²/4 = 1 上一点 P,求 P 到直线 x + 2y - 10 = 0 的最小距离。
解:设 P(3cosθ, 2sinθ)
d = |3cosθ + 4sinθ - 10| / √(1+4) = |3cosθ + 4sinθ - 10| / √5
3cosθ + 4sinθ = 5sin(θ + φ)(其中 tanφ = 3/4)
∴ 3cosθ + 4sinθ ∈ [-5, 5]
d = |5sin(θ+φ) - 10| / √5 = (10 - 5sin(θ+φ)) / √5(因为 5sin(θ+φ) ≤ 5 < 10)
d_min = (10 - 5) / √5 = 5/√5 = √5
∴ 最小距离为 √5。
📝 例题(直线参数方程的几何意义)
直线 l 过点 M₀(1, 2),倾斜角为 π/3,与圆 x² + y² = 9 交于 A、B 两点。求 |M₀A|·|M₀B|。
解:直线 l 的参数方程:
x = 1 + t·cos(π/3) = 1 + t/2
y = 2 + t·sin(π/3) = 2 + t√3/2
代入圆方程:(1 + t/2)² + (2 + t√3/2)² = 9
1 + t + t²/4 + 4 + 2t√3 + 3t²/4 = 9
t² + (1 + 2√3)t + 5 - 9 = 0
t² + (1 + 2√3)t - 4 = 0
设 A, B 对应的参数为 t₁, t₂:
t₁·t₂ = -4
∴ |M₀A|·|M₀B| = |t₁|·|t₂| = |t₁·t₂| = 4
📝 例题(极坐标求面积)
求由曲线 ρ = 2cosθ 和 ρ = 2sinθ 所围成的面积。
解:化为直角坐标:
ρ = 2cosθ → (x-1)² + y² = 1(圆心(1,0),半径1)
ρ = 2sinθ → x² + (y-1)² = 1(圆心(0,1),半径1)
两圆交点:解方程组得 (0,0) 和 (1,1)
所围面积 = 两个弓形面积之和
圆心距 = √2,cos(∠/2) = (√2/2)/1 = √2/2,∠ = π/2
每个弓形 = 扇形 - 三角形 = (1/2)·1²·(π/2) - (1/2)·1² = π/4 - 1/2
总面积 = 2·(π/4 - 1/2) = π/2 - 1
十八、数学思想方法总结
18.1 函数与方程思想
核心思想
用运动变化的观点分析数学问题中的数量关系,建立函数关系或方程关系,运用函数或方程的性质来解决问题。
常见应用:
18.2 数形结合思想
核心思想
根据数学问题的条件与结论之间的内在联系,既分析其代数含义,又揭示其几何意义,将数量关系与图形性质结合起来。
以形助数:
以数解形:
18.3 分类讨论思想
核心思想
当问题所涉及的数学对象在不同条件下有不同的结果或表现形式时,需要根据某个标准将其分为若干类,逐类讨论。
引起分类讨论的常见因素:
① 数学概念本身的分类(如绝对值、斜率存在与否)
② 数学运算的要求(如分母不为 0、对数真数为正)
③ 数学定理、公式的限制条件
④ 图形位置的不确定性
⑤ 参数的取值范围不同
⑥ 含参不等式、方程中参数的讨论
分类讨论的原则:
18.4 转化与化归思想
核心思想
将陌生、复杂、困难的问题转化为熟悉、简单、容易的问题来解决。
常见转化方法:
① 高次 → 低次(降次)
② 多元 → 一元(消元)
③ 超越方程 → 代数方程
④ 无理式 → 有理式
⑤ 一般 → 特殊(特殊值法、极端情况)
⑥ 正面 → 反面(反证法、间接法)
⑦ 动态 → 静态
⑧ 空间 → 平面(立体几何中)
⑨ 整体代换、换元法
18.5 特殊与一般思想
由特殊到一般:
观察特殊案例 → 发现规律 → 提出猜想 → 一般性证明
(归纳推理、数学归纳法)
由一般到特殊:
利用一般性的定理、公式解决具体问题
(演绎推理)
特殊值法:
选择题中代入特殊值验证
极端情况法:
将变量取到极端值分析问题
18.6 常见解题策略与技巧
(1)选择题技巧:
①
直接法:
正面推导计算
②
特值法:
代入特殊值检验
③
排除法:
排除明显错误的选项
④
数形结合法:
画图辅助判断
⑤
估算法:
不需要精确计算时估算
⑥
逆向思维:
将选项代入验证
(2)填空题技巧:
① 直接计算
② 特殊值代入
③ 数形结合
④ 等价转化
⑤ 构造法
⑥ 注意检验(代入验证)
(3)解答题策略:
① 审题:明确已知条件和所求结论
② 分析:寻找已知与未知之间的联系
③ 选择方法:确定解题思路和方案
④ 规范书写:步骤完整,逻辑清晰,关键步骤不能省
⑤ 检验:检查计算和逻辑是否正确
18.7 高中数学常用结论(速查)
集合:
n 个元素的集合有 2ⁿ 个子集
函数:
f(x) 关于 x = a 对称:f(a+x) = f(a-x)
f(x) 关于 (a,0) 中心对称:f(a+x) = -f(a-x)
f(x+a) = -f(x) → T = 2a
三角:
sin²α + cos²α = 1
1 + tan²α = sec²α
sin(A+B) = sinC(三角形中)
不等式:
a+b ≥ 2√(ab)(a,b>0),等号当且仅当 a=b
a²+b² ≥ 2ab,等号当且仅当 a=b
数列:
等差:aₙ = a₁ + (n-1)d,Sₙ = n(a₁+aₙ)/2
等比:aₙ = a₁qⁿ⁻¹,Sₙ = a₁(1-qⁿ)/(1-q)
向量:
a→·b→ = |a→||b→|cosθ
a→ ⊥ b→ ⟺ a→·b→ = 0
a→ ∥ b→ ⟺ x₁y₂ - x₂y₁ = 0
解析几何:
点到直线距离 d = |Ax₀+By₀+C|/√(A²+B²)
弦长 = 2√(r²-d²)
椭圆 e = c/a,c² = a²-b²
双曲线 e = c/a,c² = a²+b²
抛物线焦点到准线距离 = p
立体几何:
球体积 = 4πR³/3,表面积 = 4πR²
锥体体积 = Sh/3
概率统计:
E(aX+b) = aE(X)+b
D(aX+b) = a²D(X)
独立事件:P(AB) = P(A)P(B)