题:已知a、b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:
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=a,AD=b,连接BC、CD.
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,
即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=sinα,b=sinβ(0°≤α、β≤90°),则已知等式可化为:
sinα√[(1-(sinβ)2] sinβ√[(1-(sinα)2]=1,
即sinα√(cosβ)2 sinβ√(cosα)2=1,
因为0°≤α、β≤90°,所以0≤cosα、cosβ≤1,
所以sinα·cosβ sinβ·cosα=1,
所以sin(α 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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