Phương pháp ẩn phụ hay hay

LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI Có lẽ trong chương trình toán học THPT, không có nội dung nào được đề cập nhiều và gây nhiều sự chú ý như nội dung về phương trình, hệ phương trình. Tuy nhiên cái mà ta nói ở đây tưởng chừng “xưa như trái đất” lại không cũ một chút nào. Với những người yêu toán, chắc không tránh khỏi những lúc gặp bài toán về giải phương trình. Bao nhiêu ngày vò đầu bứt tai tìm cách giaỉ mà nghiệm vẫn ở đâu đâu. Vậy nhưng cũng với bài toán đó, chỉ qua vài bước đặt ẩn phụ, kết qủa thật rõ ràng và đẹp đẽ. Vâng, quả thật phương pháp ẩn phụ mang một tầm quan trọng vô cùng lớn không những trong giải phương trình, hệ phương trình… mà nó còn rất đắc dụng trong nhiều lĩnh vực toán học khác. Để giải thích được câu hỏi tại sao đặt dược ẩn phụ thế này, thế khác không hề dễ dàng một chút nào. Cá nhân tôi cũng thế. Tôi chỉ mang đến bài viết này một chút nhỏ về cách đặt ẩn phụ trong một số bài toán cụ thể và dạng cụ thể vì tính quan trọng của nó đối với giải phương trình, hệ phương trình… Và đó chính là lí do vì sao tôi chọn đề tài này. ẨN PHỤ TRONG 1 GIẢI PHƯƠNG TRÌNH VÀ HỆ PHƯƠNG TRÌNH MỞ ĐẦU : Vì tính quan trọng của ẩn phụ trong giải toán nên tôi quyết định chia bài viết này ra làm 3 phần cơ bản: (1) Ẩn phụ dựa trên hàm số (2) Ẩn ngược (3) Ẩn phụ dựa trên quan hệ Tổng - Hiệu - Tích (*) Và các bài tập đưa vào sẽ ở mức độ từ vừa phải đến khó, thậm chí là rất khó để tăng sự hấp dẫn của bài viết. PHẦN A: Ẩn phụ dựa trên hàm số Kiến thức sơ bộ: (a) Phương pháp Cácđanô để giải phương trình bậc 3 (từ khóa Cardon method for solving cubic equation ) Sẽ là khá thú vị nếu chúng ta thử tìm hiểu một chút về lịch sử phát triển của pt bậc 3: Phác đồ giải thuật: Nhận xét 1: Dựa vào khái niệm giới hạn suy ra mọi pt bậc 3 đều có nghiệm đó là việc 1 pt bậc 3 dạng đủ: có giới hạn là dương vô cùng ( tương ứng âm vô cùng) khi tiến đến dương (âm) vô cùng… (2) Sự chuyển ẩn: Mọi pt bậc 3 đều quy về dạng: thông qua phép đổi ẩn: Dựa trên phép đổi biến: chuyển pt trên về dạng: hoặc Chia trường hợp cho thuộc để ý công thức lượng giác . Cho trường hợp không thuộc gợi ý để ý tới công thức với ch là hàm Hypecbolic của . . Tiếp theo là 1 chút sơ lược về PT bậc 4: Phương pháp Ferari tịnh tiến nghiệm: Phác đồ giải thuật: luôn quy về được dạng: (1) Ta cộng vào cả hai vế của (1) 1 lượng: với là hai hằng số thỏa mãn: với và Thông qua điều kiện ta quy về PT bậc 3. Đặt vấn đề: Đối với học sinh THPT thì khái niệm "giải được" của phương trình bậc cao hơn 4 là rất ngây thơ và trong sáng, giả dụ nếu tôi nói rằng pt: là giải được thì các bạn sẽ hiểu rằng đa thức là phân tích được thành tích của các đa thức con với bậc nhỏ hơn hoặc bằng 4,việc giải phương trình được quy về việc giải các phương trình con. Nhưng thường thì việc phân tích đa thức dựa trên hệ số bất định chỉ khả thi với các đa thức hệ số đẹp và nghiệm cũng “đẹp” (tức là trong nghiệm không chứa các căn bậc 3,4 thậm chí là 5 ). 2 Song bản thân tôi đã từng gặp những phương trình bậc cao 5 thậm chí là 7 hoặc 8,9 với những hệ số rất “chẵn” nhưng lại có nghiệm vô cùng “lẻ”? Vậy thì những phương trình đó được tạo thành như thế nào? Rõ ràng là không thể dựa vào việc phân tích phương trình gốc thành tích của các hạng tử bậc 1 được,điều đó nói thẳng ra là bất khả thi. Do đó trong phần 1 của chuyên đề này tôi sẽ giới thiệu tới các bạn những phương trình được tạo thành bởi các ẩn dạng hàm số. A) Các dạng lượng giác: 1) Trích đề thi Olympic 30-4 lần 7 Giải phương trình: Lời giải: Đk Nhận xét: Tập xác định của phương trình đã cho là 1 khoảng con đối xứng dạng như vậy dễ dẫn tới việc đặt ẩn phụ dạng lượng giác. Thật vậy: Xét như vậy ít nhiều ta đã nhìn thấy sự tương đồng từ vế trái của PT đã cho với công thức . Do tập giá trị của hàm số phủ đầy đoạn nên ta có quyền đặt: ( với thuộc ). Như vậy phương trình đã cho tương đương với: (*) Nhân cả hai vế của pt(*) với ( để ý cost khác 0 ) ta có đến đây là 1 PT lượng giác cơ bản,việc giải nó xin phép được lược qua. Xét tiếp ví dụ 2: 2) Đề thi khối A-ĐHKHTN-ĐHQG TPHCM-2001 có 1 bài như sau: Lời giải: Từ điều kiện tồn tại của căn bậc 2 ta có: thuộc mà Vậy đặt: Ta còn có: Sau khi thu gọn ta có ở cả 2 vế: Hay là: tức: Bởi vì: ta có: và nhưng Vậy ta có quyền bình phương cả hai vế của pt đã cho: Tương đương với: Nhưng 3 Tức là ( giải thích vì đều thuộc ) Như vậy PT đã cho có nghiệm khi dấu các đẳng thức xảy ra tức là: và tương đương với: hay là hoặc . 3) Trích đề thi HSG toàn quốc bảng A năm 1988 Giải phương trình: Tôi sẽ không đưa ra lời giải cụ thể cho bài này mà chỉ đưa gợi ý Giải điêù kiện : Rõ ràng là Gợi ý giải: đặt rồi thu gọn 2 vế theo công thức lượng giác hạ bậc. Nghiệm duy nhất là: Tổng kết : Rõ ràng qua các bài tập trên đây: các bạn có thể thấy rõ ràng rằng,loại ẩn phụ dạng lượng giác là rất đắc dụng đối với những phương trình mà tập xác định quy được về các khoảng con đối xứng (khoảng có dạng ).Khi nhìn thấy những khoảng này nên nghĩ tới việc đặt ẩn dạng hoặc .Đặc biệt với các khoảng con nửa đối xứng như: với dương nên nghĩ tới ẩn dạng: hoặc Bài tập đề nghị: 1) Giải phương trình: 2) Giải phương trình: Cho trước 3 số dương a,b,c tìm nghiệm dương của phương trình: B) Ẩn hàm Ví dụ 1) Giải phương trình: Giải: Nhận xét tập giá trị của hàm: phủ đầy toàn trường số thực nên ta có quyền đặt: điều kiện khác . Vậy PT đã cho tương đương với: tương đương với: Đây là 1 pt bậc 2 theo vì vậy tôi sẽ bỏ qua không giải. 4 Lại nói 1 chút về lịch sử, phương pháp mà tôi đã dùng để giải bài này thực ra có thể gọi là phương pháp Hariot cho PT bậc 3. Ví dụ 2) Giải phương trình: Ta đi tìm nghiệm trong khoảng của phương trình trên bằng cách đặt nhưng phương trình hệ quả quy về: -> vô lí. Vậy pt kh ông có nghiệm thuộc Hay là nằm ngoài như vậy ta có thể đặt: (2) Thay (2) vào pt đã cho ta có pt hệ quả sau: đây cũng là Pt bậc 2 theo biến (việc giải và kiểm chứng xin dành bạn đọc) Ví dụ 3) Đề thi HSG toàn quốc bảng B năm 1995 Giải phương trình: Giải: rõ ràng nên hay là . Do đó ta có quyền đặt: với dương. Vậy Pt đã cho quy về: với dương Xét hàm số: với Đạo hàm cấp 1 triệt tiêu tại ,qua bảng biến thiên ta suy ra chính là min của hàm với Nhưng nên PT: chỉ có nghiệm duy nhất ,suy ra PT ban đầu cũng chỉ có nghiệm duy nhất: . Bài tập đề nghị: 1) Giải phương trình: 2) CMR: PT có hệ số thỏa: luôn giải được: 3) Giải PT:( cho trước lớn hơn 1) (Bài này hơi khó,gợi ý các bạn sử dụng tính tăng của hàm sin hypecbolic) Phương pháp suy biến ẩn ngược Thế nào là suy biến ẩn ngược Có thể nói vắn tắt về suy biến ẩn ngược như sau: Từ phương trình ban đầu: ta suy ra được phương trình thứ hai sau một số hữu hạn các phép biến đổi ẩn phụ. Hãy xét với 1 ví dụ đơn giản đầu tiên: 1) Đề thi học sinh giỏi toàn quốc bảng A-2001 Giải phương trình: Lời giải: Đặt điều kiện: Rõ ràng phương trình đã cho tương đương với: (1) 5 Đặt ẩn phụ: và ( đk là đều dương ) ta có phương trình (1) tương đương với: Nhưng mặt khác: Như vậy ta có hệ sau:      =− =− )3(34 )2(34 2 2 uv vu Lấy (2) trừ (3) ta được: Hay là: Hoặc: (4) Hoặc: (5) (4) và (5) đều là 2 phương trình đơn giản quy về phương trình bậc 2 nên tôi sẽ không giải nó. Kết quả cuối cùng, nghiệm là: Ví dụ (2): Đề đề nghị Olympic 30-4 lần 5 Giải phương trình: Lời giải: Rõ ràng cũng như phương trình (1) mà ta đã xét,phương trình này hoàn toàn có thể giải bằng bậc hóa ( tức là bình phương cả hai vế để quy về phương trình bậc 4 ) nhưng cách này nói chung sẽ khá dài và mức độ tính toán cũng khá nặng. Nhân 2 vào cả hai vế ta có phương trình đã cho tương đương với: . Đến đây chúng ta đã có thể nhìn ra hướng giải bằng ẩn ngược rõ ràng. Đặt: và dễ thấy: như vậy ta có hệ sau:      += += )3(4 )2(4 2 2 uv vu Dễ thấy: Lấy (2) trừ (3) ta có: dẫn đến: Hoặc : (4) hoặc xin phép được lược qua lời giải cụ thể ở đây vì hai phương trình hệ quả đều dẫn về phương trình bậc 2, rất đơn giản. Kết quả: 6 Ẩn ngược đối với những bài căn bậc 2 vẫn là tương đối đơn giản ta hãy thử đi tìm những bài khó hơn một chút xem sao. 3) Giải phương trình: Lời giải: Rõ ràng biểu thức dưới lập phương là không thu gọn hơn nữa rồi,mà mặt khác nếu khai triển cả lập phương ra thì đúng là quá đánh đố.Như vậy ta chuyển sự chú ý sang biểu thức : Rõ ràng: Như vậy phương trình đã cho tương đương với: (*) Đến đây đường lối ẩn ngược đã hiện ra rồi: Đặt: như vậy ta quy phương trình (*) về 1 hệ phương trình:      =++ =++ )2(55 )1(55 2 2 xuu uxx Lại làm 1 cách cũ rích nhưng rất hiệu quả là lấy (2) trừ (1) ta có: Nhưng rõ ràng : như vậy PT hệ quả là: hay là Do nên đồng biến hay là chỉ có nghiệm duy nhất. Mà là nghiệm nên kết luận,nghiệm duy nhất của pt đã cho là Như vậy qua các bài tập trên có lẽ các bạn đã ít nhiều quen với các phương trình dạng này rồi phải không? Dưới đây là một số bài tập tương đối hay tôi muốn giới thiệu tới các bạn: 1) Giải phương trình: 2) Giải phương trình: 3) Giải phương trình: 7 4)Giải phương trình: ( Ẩn ngược với hàm siêu việt ) 5)Giải phương trình: ẨN PHỤ DỰA TRÊN QUAN HỆ TỔNG, HIỆU TÍCH Thế nào là ẩn phụ dựa trên quan hệ tổng hiệu tích.Minh họa hay nhất có lẽ là thông qua các ví dụ cụ thể dưới đây: 1)Giải phương trình: (Lược trích đề 30-4 lần 5) Lời giải: Nhận xét: Mặt khác: Đặt: và lưu ý cả u,v dương Như vậy phương trình đã cho quy về phương trình thuần nhất theo u và v như sau: (*) Giải (*) kết hợp với u,v dương ta có: Hay là: tức là Vậy x=1 là nghiệm duy nhất 2) Giải phương trình: Lời giải: Xét điều kiện: hoặc Ta thấy: Và dễ có VP bằng: (Tự kiểm tra) 8 Như vậy nếu đặt: ta có phương trình đã cho tương đương với: Bình phương cả hai vế ta có: hay là : Giải ra ta có: (dễ dàng loại do <0) Hoặc hay là Giải ra ta có nghiệm là: hoặc là Có lẽ là không có gì quá nhiều để nói về lớp các bài toán giống như 2 bài trên,nền tảng cơ bản của nó là sự quy đổi phương trình ban đầu trở về các phương trình thuần nhất cơ bản, qua đó quy về các phương trình bậc thấp hơn 5 ( tức là giải được ) Bài tập đề nghị: 1)Giải phương trình: (Gợi ý chuyển ẩn y=x+1) 2)Giải phương trình: 3)(**) Giải phương trình: (Tôi đánh giá rất cao bạn nào có thể giải được bài này trong 1,2 ngày ) 4)Giải phương trình: 5)Giải phương trình: 6)Giải phương trình: 9 6)Giải phương trình:(Bài T5/354 - Tạp chí Toán học và tuổi trẻ) x x xxxxxx 2 3234 1 )(1222 − +=+−++ PHƯƠNG PHÁP TRỤC CĂN THỨC - MỘT CẢI TIẾN NHỎ Thực ra không có gì nhiều để nói về phương pháp này,có lẽ các bạn cũng biết rằng phương pháp này là đắc dụng đối với các phương trình vô tỷ có chứa căn. Đối với những phương trình có chứa căn đồng bậc thì thường là dừng lại ở mức trục căn với một hằng số dương cho trước ví dụ như một bài tiêu biểu dưới đây: 1) Giải phương trình: Lời giải: Viết lại phương trình đã cho về dạng: Hay là: . Thực hiện trục căn và đặt ra ngoài ta có phương trình tương đương sau: Hay là : (1) Rõ ràng là (1) chỉ có nghiệm là : hay hoặc Đây là 1 lời giải khá đặc biệt bằng trục căn thức phải không các bạn. Để cụ thể hơn có lẽ chúng ta quay về xét một bài khá đơn giản: 2) Đề thi HSG Toàn quốc bảng A-2001 Giải phương trình: Lời giải: Đk Phương trình đã cho tương đương với: 10 [...]... lại phương trình đã cho về dạng như sau: Trục căn ta có phương trình tương đương như sau: Như vậy dễ thấy x=3 là nghiệm.Xét tiếp cho phương trình thứ hai: Nhưng x −1 ≤ do 10 7 −1 = . Giải phương trình: 7 4)Giải phương trình: ( Ẩn ngược với hàm siêu việt ) 5)Giải phương trình: ẨN PHỤ DỰA TRÊN QUAN HỆ TỔNG, HIỆU TÍCH Thế nào là ẩn phụ. hypecbolic) Phương pháp suy biến ẩn ngược Thế nào là suy biến ẩn ngược Có thể nói vắn tắt về suy biến ẩn ngược như sau: Từ phương trình ban đầu: ta suy ra được phương