对《一道模考题的解题困惑》的肤浅思考

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  1 呈现原题
  题1:对于满足0  a+b-ca
  的取值范围是()
  A.1,74
  B.(1,2]
  C.[1,+∞)
  D.(2,+∞)
  题2:设二次函数f(x)=ax2+bx+c的导函数为 f′(x) .若对任意x∈R,不等式f(x)≥f′(x)恒成立,则
  b2a2+2c2的最大值为.
  2 遭遇困惑
  上述題1、题2是《一道模考题的解题困惑》(以下简称文[1])中所研究的两道试题,其中,题1为选择题,题2为填空题.拜读该文,感同身受.其实,文中遭遇的困惑也是我们一线师生经常遇到的困境,可以说这是中学数学中的一类疑难杂症,在此感谢时老师及时提出这一带有普遍性、针对性的问题.以下将文中的解答简要摘录并适当添加了序号,方便后续更好地说明问题.
  3 原始解答
  3.1 题1解答
  解法一:函数f(x)=ax2+bx+c总有两个不同的零点,则Δ=b2-4ac>0c  据此得到
  a+b-ca>a+b-b24aa①
  a+b-ca>1+ba-14ba2.
  令t=ba,注意到0  y=1+t-14t2∈(1,2].
  a+b-ca>2.②
  故选D.
  解法二:由题意可得
  a+b-ca=1+ba-ca.
  注意到
  Δ=b2-4ac>0
  ca<14ba2.③
  令ba=x,ca=y,
  a+b-ca=z,依据已知条件及③可得
  0  借助线性规划知识并结合图形(限于篇幅,图形省略)可得z>1.
  3.2 题2解答
  解:由f(x)≥f′(x)恒成立可得a>0,b2≤4ac-4a2,所以
  b2a2+2c2≤4ac-4a2a2+2c2④
  b2a2+2c2≤4·ca-41+2ca2.
  令t=ca,则
  y=4t-41+2t2∈-6-2,6-2.
  ⑤
  故b2a2+2c2的最大值为6-2.
  注:上述题1源自湖南省长沙市2017届高三年级统一模拟考试理科数学第12题,题1解法一是金考卷提供的,解法二是文[1]提供的;题2及解答都是 文[1] 提供的.其中,文[1]采取赋值(特值)法发现题1提供的四个选择支均不正确,从而说明题1是一道错题.
  4 提出问题
  文[1]在文末提出以下三个问题:
  (1)题1解法一的问题出在哪?
  (2)题2的解法正不正确?
  (3)这种多变元的问题能不能采用不等关系代入放缩,然后化归成一元变量解题?如果可以,什么情况下可以使用?
  5 肤浅思考
  上述三个问题正是文[1]的核心,同时也真真切切戳中一线师生的痛处!
  5.1 题1解法一明显错误
  必须明确指出上述题1解法一是错误的.解法一之所以出现错误,根源在于解法一实施了放缩(即上述①).对于求取值范围的问题,慎用放缩法,尤其没有取到等号的放缩更要特别慎重.因为每一次这样的放缩就相当于实施了一次不等价的变形,容易导致范围放大或缩小.如果连续进行多次这样的放缩,出现错误的概率更大.
  5.2 题1解法二完全正确
  上述题1解法二通过换元,将问题等价转化为熟悉的线性规划问题,借助线性规划知识以及数形结合求出取值范围,其过程清晰,解法严谨,这是目前高中最实惠、最有效、最严谨的构思与解答,因此解法2无疑是正确的.
  5.3 题2解答基本正确
  尽管上述题2解法过程中也实施了放缩,但其解法基本正确(详见后面的论述).
  5.4 题1与题2形同质异
  从表面上看,题1与题2相似,正如文[1]指出:“题2的解法与题1解法一如出一辙”.其实,它们的本质是不同的,原因如下:
  其一,题2是一道涉及最值(最大值)的填空题.对于最值问题,在解题教学过程中,我们可以甚至鼓励学生进行适当的放缩.事实上,绝大多数最值问题都需要适度放缩.正是借助恰当、适度的放缩,达到化困难为容易、变繁杂为简单、露隐藏为显性、转陌生为熟悉的效果,从而为解决问题奠定基础.只要能够求出最值,并且保证满足取到最值时等号成立的条件即可.比如,我们常常借助最为熟悉的基本不等式a+b2≥ab(a>0,b>0)处理最值问题,其本质就是放缩法,只是我们必须保证等号成立的条件“当且仅当a=b成立”,否则就取不到最值.之所以说文[1]提供的题2解答基本正确,是因为严格说来,还需要进一步说明取得最大值时等号成立的条件,也就是最后还必须指出取得最大值时的实数a,b,c满足的条件(准确值,或关系式).即要同时满足上述④式与⑤式等号成立的条件,显然,上述④式中等号成立的条件为
  b2=4ac-4a2.⑥
  以下再回头审视并详细展示上述⑤式由来:求导可得
  y′=-8t-2-62t-2+62(1+2t2)2.
  据此可知在
  -∞,2-62,   2+62,+∞
  上,函数单调递减;在
  2-62,2+62
  上,函数单调递增,且当 t→ -∞时,y→0-;当t→+∞时,y→0+,因此当t=2+62时,y max =6-2.也就是说上述⑤中取得最大值时的等号成立的条件为
  t=2+62=ca.⑦
  综合上述⑥与⑦可得,上述题2取得最大值时等号成立的条件为
  b2=4ac-4a2,
  ca=2+62
  a=2m,
  b=2424m,(m>0)
  c=(2+6)m.
  ⑧
  当然,对于上述⑤,除了导数法之外,还可以采取换元法,即设n=t-1,则有
  y=4n2n2+4n+3.
  然后分n>0,n=0,n<0三种情况并结合基本不等式求出其最大值并获得等号成立的条件.
  其二,题1是一道涉及取值范围的选择题.所谓求取值范围就是基于一定条件下的可能取到的值的最大范围,否则就不是最终的正确答案.这就要求每一步变形都必须是等价的,否则就可能出现范围放大或缩小.而题1中的解法一是按照①式进行放缩,此时的放缩没有取到等号,显然是不等价变形,仅仅表明左边恒大于右边,说明①左边与右边的范围发生了根本性改变,当然左边与右边的范围已经不一样(注:不排除个别试题,实施不等价变形,最后左边与右边范围一样,这纯属巧合罢了).也就是说,即使严格规范地求出了右边的取值范围,也不能代表左边的范围.而题2中的解法二,则是按照④式实施放缩,此时的放缩取到了等号,即确保等号成立,并且在后续推理中自始至终保证了等号成立时条件具有一致性,也就是上述⑧式,说明此处的放缩并没有影响最后的最大值,因此题2的解法所得的最后的结果是正确的.
  其三,倘若是证明题,那么我们可以实施合乎逻辑的放缩,甚至多次放缩,只要保证能够证明到最后的结论即可.如果我们将题1改为证明题(不妨称为题3),即
  题3:对于满足01.
  作为证明题,我们可以直接用上述解法二作为题3的证明过程,还可以得到以下更为简捷的证明过程:
  证明:依据题意,函数f(x)=ax2+bx+c总有两个不同的零点,即Δ=b2-4ac>0恒成立,即c0,b>0,则c≤0,于是
  a+b-ca≥a+b-0a=a+ba>aa=1.
  ⑨
  客观地讲,上述证明过程(多次放缩)并不严密,至少已知條件“0  5.5 慎用不等关系减元
  含有多元变量问题一直是高中数学的难点、热点,一般来说,我们总是尽可能想办法(比如,换元、压缩、不等关系代入,等等)减元,甚至渴望转化为一元变量(比如上述题2).因为变量越少越容易掌控,但是在减元过程中必须保证等价性,否则极易出现意想不到的错误,其中最为典型的错误就是范围放大或者缩小,这也正是题1解法一出现错误的根本原因所在.其实,上述①式,从左往右看属于放缩法中的缩小,于是导致范围在不知不觉中被缩小.事实上,并非多元变量问题都可以转化为一元变量,有些多元问题,在保证等价变形的前提下很难转化为一元变量,此时如果强行转化(尤其用不等关系代入放缩)为一元变量就会出现瑕疵乃至错误,上述题1解法一就是如此.
  6 善待错误
  6.1 积极面对错误
  人们常说学生学习数学是一个与错误相伴的过程.其实,我们教师自身何尝不是如此呢?面对错误,既没有必要大惊小怪,也没有必要遮遮掩掩.正如数学家华罗庚生感叹“天下没有数学家没算错过题的.错误是难免要发生的……但既然出现了错误,就应该引以为教训.”“科学是来不得半点虚假的.”事实上,我们在概念教学之中、解题之中、命制试题之中不时出现瑕疵乃至错误,甚至多次出现同一类错误在所难免,我们应该将这些错误归类、深思,从中吸取教训,寻找根源,避免重蹈覆辙,这正是拙文[2][3][4][5][6][7][8]的由来.
  6.2 多方化解困惑
  笔者在教学过程中经常遇到困惑,首先与学生一起商榷,引发学生思考,人多力量大,力争将面临的困惑在教室里、在课堂上化解;一旦问题依然无法解决,赶紧求助身边同事,在备课组、教研组中展开激烈争辩,力争短时间内解决;遇到棘手问题,积极寻求专家解答,点对点直接咨询,立竿见影.笔者就曾多次请教著名的数学特级教师任勇先生、福建师范大学柯跃海先生、东北师范大学郭民先生、教育部考试中心任子朝先生,等等.反复遇到同类或相似疑难杂症,整理成文投稿杂志,在更大的平台上请教全国名家大师,这正是拙文[9][10][11][12][13]的由来.
  6.3 错误是宝贵资源   罗增儒指出:“解题出现错误是难免的,教师对待学生解题过程中出现的错误应持积极的态度,不要一味地把错误看成达到正确目标的拦路虎.其实,错误是越过障碍、达到目标的必经阶段,错误是接受洗礼、走向成熟的必要磨炼.没有谁在真正的问题面前不是摸索前进、从不走弯路的.”黑格尔说过:“错误本身乃是达到真理的一个必然环节.”波普尔认为:“错误中往往孕育着比正确更丰富的发现和创造因素.”错误是走向正确的先导,错误是通向成功的阶梯.我们把概念教学中(比如拙文[14][15])、解题过程中(比如拙文[16][17])、命题过程中(比如拙文[18][19])出现的瑕疵乃至错误看作一种鲜活的、难得的、宝贵的资源,深刻反省造成错误的根本原因,透过现象,厘清本质,夯实功底,提升素养,优化思维,努力提高自身教育教学水平.
  需要特别说明的是,因笔者功力浅薄,深知本文未能完全解开文[1]提出的问题,甚至本文自身观点也存在错误,权当抛砖引玉,期盼名家大师指点迷津,万分感谢!同时,笔者在探究过程中也遇到新的困惑,在此请教:
  上述②对吗?如果不对,是不是应该改为以下⑩式?
  a+b-ca>1.⑩
  如果用⑩式替换题1解法一中的②式,那么题1的取值范围就是(1,+∞),能否据此说明上述题1解法一正确?
  参考文献
  [1]
  时英雄.一道模考题的解题困惑[J].数学通讯(下半月),2018(10):32.
  [2]王淼生.预防解题中不规范与错误的策略[J].数学教育研究,2014(3):64—66;封面.
  [3]王淼生.三角函数问题常见的典型错误及应对策略[J].中国数学教育,2014(12):48—52.
  [4]王淼生.立体几何问题常见的典型错误及应对策略[J].求学(教学教研版),2018(8):68—74.
  [5]王淼生,李寅童.线性规划问题的常见典型错误及应对策略[J].中学数学研究(江西),2018(3):9—13.
  [6]王淼生,吴卫军.四种解法中到底谁对谁错——以一道中考试题为例[J].中学数学杂志(初中版),2017(8):48—50.
  [7]王淼生.让人心惊胆战的三角错题[J].数学通讯(上半月)2018(12).
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  [9]王淼生.数学问题219:求定点到定椭圆上的点的距离的最小值的疑惑[J].数学通讯(下半月),2012(9):30.
  [10]王淼生.数学问题222:学生在作业中两种解法的是非曲直[J].数学通讯(上半月),2013(1):35.
  [11]王淼生.数学问题226:一道让人纠结的三角作业题[J].数学通讯(下半月),2013(7):34.
  [12]王淼生.数学问题231:这个看似简单的概率题目,答案到底是多少?[J].数学通讯(下半月),2014(1):34.
  [13]王淼生.这道质检试题到底哪一种解法合理?[J].数学通讯(上半月),2018(10):29—31.
  [14]王淼生.对人教A版高中数学课标教材第26处修改建议[J].数学通讯(上半月),2017(10):41—44.
  [15]王淼生.理性思维 严谨论证——以“2018年福建省中考第10題”为例[J].中学数学教学参考(中旬),2018(10),67—70.
  [16]王淼生,黄昌毅.对《抛物线一个性质》一文的质疑[J].中学数学研究(江西),2013(4):44—45.
  [17]王淼生.再谈《一道世界数学团体锦标赛试题的另解与随想》[J].数学教学,2018(3):48—49;封面.
  [18]王淼生.从涉及分布列概念的两道试题说起[J].数学通讯(上半月),2016(Z4):47—49.
  [19]王淼生.这道试题到底错在哪儿?[J].中学数学杂志(高中版),2017(3):58—61.
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