Tài liệu Skkn-một số phương pháp giải bài toán tìm số phức có mô đun lớn nhất, nhỏ nhất.

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ TRƯỜNG THPT DƯƠNG ĐÌNH NGHỆ SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN TÌM SỐ PHỨC CÓ MÔĐUN LỚN NHẤT, NHỎ NHẤT. Người thực hiện: Nguyễn Lạnh Đông Chức vụ: Giáo viên SKKN thuộc môn: Toán THANH HOÁ NĂM 2013 1 A. Đặt vấn đề I. Lời nói đầu. II. Thực trạng của vấn đề nghiên cứu. B. Giải quyết vấn đề I. Kiến thức cơ bản về số phức. II.Một số kiến thức áp dụng. 1. Bất đẳng thức: Bun-nhi-a-cốp-xki với 4 số thực 2. Định lý về dấu của tam thức bậc hai. 3. Sự đồng biến nghịch biến của hàm số, bảng biến thiên. 4.Giao điểm của đường thẳng và đường thẳng, đường thẳng và đường tròn. 5. Tính chất của hàm số lượng giác. III. Tập hợp các điểm biểu diễn số phức thường gặp. 1.Phương trình đường thẳng: ax+by+c=0. 2.Phương trình đường tròn:  x  a  2   y  b  2 3.Phương trình đường Elíp: R 2 . x2 y2  1 . a2 b2 IV. Các phương pháp tìm số phức có môđun lớn nhất, nhỏ nhất. Dạng 1: Tập hợp các điểm biểu diễn số phức z là đường tròn (5 cách giải) Dạng 2: Tập hợp các điểm biểu diễn số phức z là đưởng thẳng(4cách giải) Dạng 3: Tập hợp các điểm biểu diễn số phức z là đường Elíp (3 cách giải) 2 A.ĐẶT VẤN ĐỀ I. LỜI NÓI ĐẦU Số phức được đưa vào giảng dạy ở bậc phổ thông của nhiều nước trên thế giới, nhưng lại là nội dung mới với học sinh trung học phổ thông ở Việt Nam, và thực sự gây không ít khó khăn bởi nguồn tài liệu tham khảo hạn chế. Bên cạnh đó các bài toán về số phức trong những năm gần đây không thể thiếu trong các đề thi tốt nghiệp trung học phổ thông và Đại học, Cao đẳng. Đặc biệt việc giải bài toán “Tìm tập hợp các điểm trong mặt phẳng biểu diễn số phức” không phải là bài toán quá khó đối với học sinh. Các em chỉ cần nắm được kiến thức cơ bản về số phức: phần thực, phần ảo, môđun của số phức, các phép toán về số phức kết hợp với kiến thức về phương trình đường thẳng, đường tròn, đường Elíp,... thì các em sẽ giải quyết tốt bài toán trên.Vấn đề là thông qua bài toán này học sinh biết khai thác kiến thức cơ bản của bài toán trên, kết hợp vận dụng kiến thức về bất đẳng thức, đạo hàm, lượng giác, bài toán cực trị trong hình học,.. để từ đó giải quyết được bài toán “Tìm số phức có môđun lớn nhất, nhỏ nhất thoả mãn điều kiện cho trước”. Trên cơ sở ấy các em có thể phát huy được sức sáng tạo và tư duy logíc của mình. Riêng bản thân, ở mối tiết dạy, ở mỗi bài dạy tôi luôn trăn trở tìm ra những phương pháp dạy học thích hợp để tác động tới từng đối tượng học sinh, và tìm mọi cách để xoá bỏ việc tiếp thu kiến thức một cách thụ động. Đồng thời nâng cao trình độ tư duy và sức sáng tạo của học sinh. Chính vì vậy mà tôi chọn đề tài “Một số phương pháp giải bài toán tím số phức có môđun lớn nhất, nhỏ nhất” để viết sáng kiến kinh nghiệm. II. THỰC TRẠNG CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Thực trạng: Số phức là vấn đề hoàn toàn mới và khó đối với học sinh bậc trung học phổ thông hiện nay. Vì mới đưa vào chương trình Sách giáo khoa nên có rất ít tài liệu về số phức để học sinh và giáo viên tham khảo. Bên cạnh đó, lượng bài tập cũng như các dạng bài tập về số phức trong Sách giáo khoa còn nhiều hạn chế. Chính vì vậy mà việc giảng dạy và học tập của giáo viên và học sinh gặp không ít những khó khăn. Bài toán tìm tập hợp các điểm trong mặt phẳng biểu diễn số phức z và bài toán tìm số phức z có môđun lớn nhất, nhỏ nhất có quan hệ mật 3 thiết vơi nhau. Trong quá trình giảng dạy phần nội dung này tôi nhận thấy vẫn còn một số học sinh chưa giải quyết được bài toán tìm tập hợp các điểm biểu diễn số phức mặc dù tập hợp các điểm cần tìm thông thường là đường thẳng, đường tròn, đường Elíp, đường Hybebol, đường Parabol,...Nhiều học sinh lại gặp rất nhiều khó khăn khi giải quyết bài toán tìm số phức có môđun lớn nhất, nhỏ nhât. Để làm tốt được bài toán này trước hết học sinh phải tìm được tập hợp các điểm biểu diễn số phức sau đó áp dụng kiến thức về bất đẳng thức, đạo hàm, lượng giác, hình giải tích trong mặt phẳng: đường thẳng, đường tròn, Elíp, ...để tù đó tìm ra được môđun số phức lớn nhất, nhỏ nhất. 2. Kết quả, hiệu quả của thực trạng: Kết quả bài toán tìm tập hợp các điểm biểu diễn số phức thông thường là: đường thẳng, đường tròn, đường Elíp, đường Hypebol, đường Parabol,.. nên khi giảng dạy cho học sinh bài toán tìm số phức có môđun lớn nhất, nhỏ nhất nếu giáo viên biết khai thác kết hợp với kiến thức về bất đẳng thưc, đạo hàm, lượng giác, hình học giải tich trong mặt phẳng,..thì sẽ tạo ra được nhiều cách giải khác nhau cho một bài toán. Cụ thể trong đề tài này tôi đã hướng dẫn học sinh tư duy giải quyết bài toán trên theo nhiều cách giải khác nhau: Tập hợp các điểm biểu diễn số phức z là đường tròn sẽ có 5 cách giải; tập hợp các điểm biểu diễn z là đường thẳng có 4 cách giải; tập hợp các điểm bểu diễn số phức z là Elíp có 3 cách giải. B. GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ I. Kiến thức cơ bản về số phức: 1. Một số phức là một biểu thức có dạng x  yi , trong đó x, y là các số thực và số i thoả mãn i 1  1 . Ký hiệu số phức đó là z và viết z  x  yi . i được gọi là đơn vị ảo x được gọi là phần thực. y được gọi là phần ảo của số phức z = x +yi Tập hợp các số phức ký hiệu là C. 2. Hai số phức bằng nhau. Cho z = x + yi và z’ = x’ + y’i. 4  x  x ' z = z’    y  y ' 3. Biểu diễn hình học của số phức. Mỗi số phức được biểu diễn bởi một điểm M(x;y) trên mặt phẳng toạ độ Oxy. Ngược lại, mỗi điểm M(x;y) biểu diễn một số phức là z = x +ybi . 4. Phép cộng và phép trừ các số phức. Cho hai số phức z = a + bi và z’ = a’ + b’i. Ta định nghĩa: �z  z '  (a  a ')  (b  b ')i � �z  z '  (a  a ')  (b  b ')i 5. Phép nhân số phức. Cho hai số phức z = a + bi và z’ = a’ + b’i. Ta định nghĩa: zz '  aa ' bb ' (ab ' a ' b)i 6. Số phức liên hợp. Cho số phức z = a + bi. Số phức z = a – bi gọi là số phức liên hợp với số phức trên. Vậy z = a  bi = a - bi *) Tính chất của số phức liên hợp: (1): z  z (2): z  z '  z  z ' (3): z.z '  z.z ' (4): z. z = a 2  b 2 (z = a + bi ) 7. Môđun của số phức. Cho số phức z = a + bi . Ta ký hiệu z là môđun của số phư z, đó là số thực không âm được xác định như sau: uuuuu v - Nếu M(a;b) biểu diễn số phc z = a + bi, thì z = OM = a 2  b 2 - Nếu z = a + bi, thì z = z.z = a 2  b 2 8. Phép chia số phức khác 0. Cho số phức z = a + bi ≠ 0 (tức là a2+b2 > 0 ) Ta định nghĩa số nghịch đảo z-1 của số phức z ≠ 0 là số 1 1 z-1= a 2  b 2 z  z 2 z 5 Thương z' của phép chia số phức z’ cho số phức z ≠ 0 được xác định như sau: z z' z '.z  z.z 1  2 z z Với các phép tính cộng, trừ, nhân chia số phức nói trên nó cũng có đầy đủ tính chất giao hoán, phân phối, kết hợp như các phép cộng, trừ, nhân, chia số thực thông thường. II.Một số kiến thức áp dụng. 1. Bất đẳng thức: Bun-nhi-a-cốp-xki với 4 số thực Với 4 số thực a, b, c, d ta có:  ab  cd  2 a 2  c 2 b 2  d 2  Dấu đẳng thức xảy ra khi ad=bc 2. Định lý về dấu của tam thức bậc hai 3. Sự đồng biến nghịch biến của hàm số, bảng biến thiên 4.Giao điểm của đường thẳng và đường thẳng, đường thẳng và đường tròn. 5. Tính chất của hàm số lượng giác III. Tập hợp các điểm biểu diễn số phức thường gặp. 1. Phương trình đường thẳng: ax+by+c=0. 2. Phương trình đường tròn:  x  a  2   y  b  2 3. Phương trình đường Elíp: R 2 . x2 y2  1 . a2 b2 IV. Các phương pháp tìm số phức có môđun lớn nhất, nhỏ nhất. Tìm số phức z có môđun lớn nhất (hoạc nhỏ nhất) thoả mãn điều kiện cho trước. Phương pháp chung: 6 Bước 1. Tìm tập hợp (G) các điểm biểu diễn số phức z thoả mãn điều kiện. Bước 2.Tìm số phức z tương ứng với điểm biểu diễn M khoảng cách OM có giá trị lớn nhất (hoạc nhỏ nhất).  (G ) sao cho Dạng 1: Tập hợp các điểm biểu diễn số phức z là đường tròn ( 5 cách giải) Ví dụ 1: Trong các số phức z thoả mãn điều kiên sau .Tìm số phức z có môđun lớn nhất, nhỏ nhất. 1. z  2  4i  5 2. z  z 2 i  2 z 1  i 3. 4. 2  2i 1 z  3  5i  2 z  1  3i Lời giải Cách 1: Giả sử điểm M(x;y) biểu diễn số phức z=x+yi. Khi đó: z  2  4i  5 � ( x  2)  ( y  4)i  5 � ( x  2) 2  ( y  4) 2  5 � ( x  2) 2  ( y  4) 2  5 (1) Suy ra tập hợp điểm M(x;y) biểu diễn số phức z là đường tròn tâm I(2;4), bán kính R  5 z  OM 2  x 2  y 2  ( x  2) 2  ( y  4)2  4 x  8 y  20  4 x  8 y  15  4  ( x  2)  2( y  4)   25 (2) 2 Áp dụng Bất đẳng thức Bu-nhi-a-cốp-xki ta có: ( x  2)  2( y  4) � (12  22 ) � ( x  2) 2  ( y  4) 2 � � � 5 � 5 �( x  2)  4( y  4) �5 (3) Từ (2), (3) ta suy ra: 5 �z �3 5 .Vậy: 7 �x  1 z min  5 � � � z  1  2i �y  2 �x  3 z max  3 5 � � � z  3  6i �y  6 Cách giải 2: (định lý về dấu của tam thức bậc 2) Đặt t  x2  y2 Ta có Vậy . Do  x  2 2   y  4 2 x  2 y  5 x 2  y 2   5.t , 5  x 2  y 2  15 4( x  2 y ) Suy ra t 2  15 4 5t  5 t 3 5 �x  1 z min  5 � � � z  1  2i �y  2 �x  3 z max  3 5 � � � z  3  6i �y  6 Cách giải 3: ( Phương pháp lượng giác hóa) Đặt x  2  5 sin t , Tacó : Do  y  4  5 cos t  x 2  y 2  2  5. sin t   4  2 5. cos t  2 25  4 5  sin t  2 cos t  5 sin t  2. cos t  5  5  x 2  y 2 45  5  z 3 5 �x  1 z min  5 � � � z  1  2i �y  2 Vậy �x  3 z max  3 5 � � � z  3  6i �y  6 Cách giải 4. (Phương pháp hình học) Giả sử M(x;y) là điểm biểu diễn số phức z. khi đó z min  OM min , z max  OM max Ta có phương trình đường thẳng OI là: 2 x  y 0 . 8 Đường thẳng OI cắt (C) tai hai điểm phân biệt A, B có toạ độ là nghiệm của hệ phương trình: x  22  y  42 5  x 3,x 1   2x  y 0  y 6, y 2  A(1;2), B (3;6) Với mọi điểm M thuộc đường tròn (C) thì OA OM OB Hay 5  z 3 5 Vậy: �x  1 z min  5 � � � z  1  2i �y  2 �x  3 z max  3 5 � � � z  3  6i �y  6 Cách giải 5. (phương pháp hình học) Đường thẳng OI cắt đường tròn (C) tại 2 điểm A, B như hình vẽ. Ta có z Ta có OI  4  16 2 5 min  OM min  M trùng với điểm A trên (C) gần O nhất y Kẻ AH  Ox theo định lý ta lét ta có: B AH OA 2 5  5 1    4 OI 2 2 5  AH 2  OH 1  z 1  2i z max  OM max  4 I M trùng với điểm B trên (C) xa O nhất. A Kẻ BK  Ox , theo định lý ta lét ta có: O x H K A 9 4 OI 2 5 2    BK OB 2 5  5 3  BK 6  OK 3  z 3  6i Các bài còn lại học sinh làm tương tự theo 5 cách giải trên Đáp số: 2. z 4 2 4 2  i, 2 2 3. z  3  4. z 5  z  4 2 2  10 i, 4  2 2 i  z  3  10 i 10 5  2 5 i ,  1  13 13   z 5  10 5  2 5 i ,  1  13 13   Dạng 2: Tập hợp các điểm biểu diễn số phức z là đưởng thẳng ( 4 cách giải) Ví dụ2: Tìm z sao cho điều kiện sau: 1. u  z  3  i  z  1  3i  z đạt giá trị nhỏ nhất.Biết số phức z thỏa mãn là số thực. 2. u  z  1  z  2i  là số thực. 3. z  2  3i 1 z  4i 4. z  i  z  2  3i Lời giải Cách giải 1: Giả sử z  x  yi ( x, y  R ) u  x  3   y  1i  x  1   3  y i   x 2  y 2  4 x  4 y  6  2 x  y  4i Ta có u  R  x  y  4 0 . 10 tập hợp các điểm biểu diễn số phức z là dường thẳng (d): Giả sử M(x;y) là điểm biểu diễn z thì M(-2;2)  z  2  2i . Cách giải 2. Ta có Vậy x  y  4 0 . z min  OM min  OM  (d ) z  x 2  y 2  x 2   4  x Ta được  2 x  2   8 2 2 . 2 2 z min 2 2  x  2  y 2  z  2  2i Cách giải 3. Xét hàm số z  x 2  y 2  x 2   4  x 2  2 x 2  8 x  16 f ( x )  2 x 2  8 x  16 , f ' ( x )  2x  4 2 2 x  8 x  16 f ' ( x ) 0  x  2  z min  f ( x) min  x  2  y 2  z  2  2i Cách giải 4: Giả sử M(x;y) là điểm biểu diễn z = x+yi. M  (d )  x  y  4 0  x  y  4  16  x  y  2 x 2  y 2  2  x 2  y 2 8  z  x 2  y 2 2 2  z min 2 2  x  y  2  z  2  2i . Các bài còn lại học sinh làm tương tự theo 1 trong 4 cách trên 4 2 Đáp số: 2. z  5  5 i . 3 3. z 10  4. 1 i 10 3 6 z  i 5 5 Dạng 3: Tập hợp các điểm biểu diễn số phức z là đường Elíp (3 cách giải) Ví dụ 3: Tìm số phức z sao cho môđun của z đạt giá trị nhỏ nhất, lớn nhất.Biết số phức z thoả mãn điều kiện: 11 1. z  1  z  1  4 . 2. z  3. z  2  4i  z  4i 10 z  2 6 Lời giải Trong mặt phẳng Oxy .Giả sử các điểm M, F1 , F2 lần lượt biểu số phức z, -1, 1. Suy ra: uuuur uuuur F1M biểu diễn số phức z-(-1)=z+1 ; F2 M biểu diễn số phức z-1.Với F1 , F2 nằm trên trục thực Ox -Khi đó điều kiện: z  1  z  1  4 � MF1  MF2  4 và F1F2  2 Vậy tập hợp các điểm M là Elip có trục lớn bằng 4 và trục bé bằng 2 3 x2 y 2 Phương trình Elip trong mặt phẳng tọa độ Oxy là:   1 4 3 Tìm z sao cho z min Cách giải 1: Ta có , z max z OM  x 2  y 2  3  x2 4 x2 y 2 x2  0  1  3  z 2   1 Do 4 4 3 Vậy : z z min max  3  z  3i 2  z 2 Cách giải 2: Giả sử M(x;y) là điểm biểu diễn z Khi đó:  x2 y2  1 4 3  x2 y2   x2 y2   4  4  OM 2 OM 2  x 2  y 2 4   4  3   4  4  x2 y2   x2 y2   3  3  OM  3 OM 2  x 2  y 2 3   3   4 3   3 Từ đó ta được 3  z 2 12 Vậy: z z  3  z  3i min 2  z 2 max Cách giải 3: Đặt x  2. sin t , y  3 cos t Ta có: Do , t   0;2  OM 2  x 2  y 2 4 sin 2 t  3 cos 2 t 3  sin 2 t 3  z 2 . 0 sin 2 t 1, t  3 OM 2 4  Vậy: z z  3  z  3i min max 2  z 2 Các bài còn lại học sinh làm tương tụ theo 1 trong 4 cách trên Đáp số: 2. z 3. z min min 3  z 3, z max 4  z 4i  5  z  5i, z max 3  z 3i V. Kiểm chứng- so sánh. Năm học 2011 -2012 , khi ôn luyện thi Đại học chuyên đề bài tập tìm tập hợp các điểm biểu diễn số phức, số phức có môđun lớn nhất, nhỏ nhất, tôi có chia lớp thành 2 nhóm , 1 nhóm thực nghiệm , 1 nhóm đối chứng cho đề tài của mình với 3 dạng bài tập ,tôi đã thu được kết quả sau : Lớp đối Dạng 1(%) G K TB - Xem thêm -