最复杂的数学证明(一道经典代数证明题的多种证法)(1)

:已知ab大于0,且a√(1-b2) b√(1-a2)=1,求证:a2 b2=1.

这是一道经典代数证明题,对于初中生来说,最容易想到的方法是将已知等式变形——去根号,从而可得如下证法:

证法1:由已知,得:a√(1-b2)=1-b√(1-a2),

两边平方,得:a2(1-b2)=1-2 b√(1-a2)b√(1-a2) b2 (1-a2),

整理,得2b√(1-a2)=1-a2 b2,

两边再平方,得:4b2 (1-a2)=1 a4 b4-2a2 2b2-2a2b2,

移项、合并同类项,整理,得

a4 b4 2a2b2-2a2-2b2 1=0,

即(a4 b4 2a2b2)-2(a2 b2) 1=0,

所以(a2 b2)2-(a2 b2) 1=0,

因式分解,得(a2 b2-1)2=0,

所以a2 b2-1=0,a2 b2=1.

点评:去根号是解决无理式问题最常用的基本方法,这种证法虽然显得有点笨拙,但笨中有巧,考验的是大家对算式的运算能力和变形能力.

如果由已知及求证式子想到完全平方公式(x-y)2=x2 y2-2xy,并变形为xy=[( x2 y2)-(x-y)2]/2,则可以直接把已知等式中的a√(1-b2)和b√(1-a2)分别进行转化,得到如下证法:

证法2:由完全平方公式,得

a√(1-b2)={a2 [√(1-b2)]2-[a-√(1-b2)]2}/2

={a2 1-b2-[a-a√(1-b2)]2}/2,

同理,b√(1-a2)= {b2 1-a2-[b-√(1-a2)]2}/2,

两式相加,并整理,得

a√(1-b2) b√(1-a2)

=1-{[a-√(1-b2)]2 [b-√(1-a2)]2}

因为a√(1-b2) b√(1-a2)=1,

所以1=1-{[a-√(1-b2)]2 [b-√(1-a2)]2},

整理,得[a-√(1-b2)]2 [b-√(1-a2)]2=0,

因为[a-√(1-b2)]2和[b-√(1-a2)]2都是非负数,

所以[a-√(1-b2)]2=0且[b-√(1-a2)]2=0,

所以a=√(1-b2),b=√(1-a2),

两边平方,并整理,均可得:a2 b2=1.

点评:完全平方公式不仅是多项式相乘运算的工具,它的变形在解决平方问题中的作用更加重要.

如果从求证的结论入手,既然a2 b2=1可以成立,则1- a2=b2,1-b2=a2,于是已知等式中的a与√(1-b2),b与√(1-a2)就必须是分别相等的,即a-√(1-b2)=0,b-√(1-a2)=0,因此,可考虑构造[a-√(1-b2)]2 [b-√(1-a2)]2,然后证明[a-√(1-b2)]2 [b-√(1-a2)]2=0.

证法3:设s=[a-√(1-b2)]2 [b-√(1-a2)]2,则

s=a2-2 a√(1-b2) 1-b2 b2-2 b√(1-a2) 1-a2

=2-2[a√(1-b2) b√(1-a2)],

因为a√(1-b2) b√(1-a2)=1,

所以s=2-2×1=0,

即[a-√(1-b2)]2 [b-√(1-a2)]2=0,

所以a-√(1-b2)=0,b-√(1-a2)=0,

所以a=√(1-b2),b=√(1-a2),

两边平方,整理,得a2 b2=1.

点评:构造法是数学解题的重要方法之一,根据问题特征及其解题需要构造相关的式子往往是问题解决的关键.

如果把a2 b2作为整体,设为s,让s参与到已知等式的变形中去,则可得如下证法.

证法4:设s= a2 b2,则

把已知等式两边直接平方,得

a2(1-b2) b2(1-a2) 2ab√[1-( a2 b2) a2b2] =1,

整理,得:a2 b2-2 a2b2 2ab√[1-( a2 b2) a2b2]=1,

所以s 2 a2b2 2ab√(1-s a2b2) =1,

移项,得2ab√(1-s a2b2)=1 –s 2 a2b2,

两边再平方,得

4 a2b2 (1-s a2b2)=1 s2 4a4b4-2s 4 a2b2-4 a2b2s

即4 a2b2 -4a2b2s 4a4b4)=1 s2 4a4b4-2s 4 a2b2-4 a2b2s

移项、合并同类项,得s2-2s 1=0,

所以(s-1)2=0,s=1,

所以a2 b2=1.

点评:整体思想是数学的重要思想,从整体出发,进行整体处理可以大大简化算式的变形与化简.

如果从已知等式结构想到勾股定理及托勒密定理——圆内接四边形两组对边的乘积之和等于对角线的乘积.此时可以得到如下比较简单的证法:

最复杂的数学证明(一道经典代数证明题的多种证法)(2)

证法5:如图,构造直径为1的圆O.在⊙O上取点A,作直径AC,作弦AB=aAD=b,连接BCCD

因为AC为直径,所以AC=1,且∠ABC=ADC=90°,

所以BC=√(1-a2),CD=√(1-b2),

连接BD,则由托勒密定理,得

AB·CD AD·BC=AC·BD

a√(1-b2) b√(1-a2)=BD

因为a√(1-b2) b√(1-a2)=1,

所以BD=1,所以BD是⊙O 的直径,

所以∠BAD=90°,

所以AB2 AD2=BD2,

所以a2 b2=1.

点评:联想是数学学习的基本素养,是打开解题思路的钥匙,由此及彼进行联想,将问题转化为相关的问题.

如果从已知等式中的被开方数1-a2≥0,1-b2≥0,得a2≤1,b2≤1,联想到三角函数的正、余弦,利用三角函数代换可得如下证法.

证法6:设a=sinαb=sinβ(0°≤αβ≤90°),则已知等式可化为:

sinα√[(1-(sinβ)2] sinβ√[(1-(sinα)2]=1,

sinα√(cosβ)2 sinβ√(cosα)2=1,

因为0°≤αβ≤90°,所以0≤cosαcosβ≤1,

所以sinα·cosβ sinβ·cosα=1,

所以sinα β=1,

所以α β=90°,

所以sinβ=cosα,

所以a2 b2=(sinα)2 (cosα)2=1.

点评:在数学解题中进行一题多解训练,有利于发散思维的培养,解题思路的开拓和解题能力的提高,从而诱发创新思维.

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