【摘要】函數(shù)與數(shù)列都是高中數(shù)學(xué)教學(xué)中的重要內(nèi)容,通常我們都習(xí)慣于從函數(shù)的角度來看數(shù)列,這樣既自然又有效.在此基礎(chǔ)上,筆者又嘗試著從數(shù)列的角度來看函數(shù),揭示知識之間的聯(lián)系.
【關(guān)鍵詞】函數(shù);數(shù)列;逆向觀察
函數(shù)與數(shù)列都是高中數(shù)學(xué)教學(xué)中的重要內(nèi)容.按照教材編排,通常是在高一先學(xué)習(xí)函數(shù),再到高二學(xué)習(xí)數(shù)列.教科書中也提到“從函數(shù)的觀點看,數(shù)列可以看成以正整數(shù)集(或其子集)為定義域的函數(shù)an=f(n)”\[1\].這樣一來,從函數(shù)的角度去看數(shù)列顯得順理成章.的確,在解決某些數(shù)列問題時,利用函數(shù)的思想、觀點和方法可以達到事半功倍的效果.
1從函數(shù)角度看數(shù)列
例1在等差數(shù)列{an}中,Sn是其前n項的和,公差d≠0.
(1)若am=n,an=m(m≠n),求am+n;
(2)若Sm=Sn(m≠n),求Sm+n.
數(shù)列解法(1)由題意得
a1+(m-1)d=n,
a1+(n-1)d=m,解得a1=m+n-1,
d=-1,所以am+n=a1+(m+n-1)d=m+n-1-(m+n-1)=0.
(2)由Sm=Sn,得a1m+m(m-1)2d=a1n+n(n-1)2d,整理得a1(m-n)=d2(n-m)(n+m-1),即a1=-d2(n+m-1),所以Sm+n=a1(m+n)+(m+n)(m+n-1)2d=a1(m+n)-a1(m+n)=0.
函數(shù)解法(1)由于等差數(shù)列的通項an是關(guān)于n的一次函數(shù),可看作一條同時過點A(m,n)和B(n,m)的直線(如圖1),由對稱性可知該直線的斜率為-1,且與x軸交于點C(m+n,0),即am+n=0.
(2)由于Sn=d2n2+a1-d2n是關(guān)于n的二次函數(shù),且常數(shù)項為0,令f(x)=d2x2+a1-d2x,由Sm=Sn,得f(m)=f(n),則二次函數(shù)關(guān)于直線x=m+n2對稱(如圖2),故有f(m+n)=f(0)=0,即Sm+n=0.
例2在數(shù)列{an}中,an=(n+1)1011n,求{an}的最大項.
數(shù)列解法作差可得:
an+1-an=(n+2)1011n+1-(n+1)1011n=9-n111011n ,所以當(dāng)1≤n<9時,an+1>an,即a1<a2<a3<…<a9;當(dāng)n=9時,an+1=an,即a10=a9;當(dāng)n>9時,an+1<an,即a10>a11>a12…,所以數(shù)列的最大項為a9=a10=1010119.
函數(shù)解法令函數(shù)f(x)=(x+1)1011x,求導(dǎo)得f′(x)=1011x+(x+1)1011xln1011, 解f′(x)>0,得x<-1ln1011-1≈9.49,即f(x)在(-∞,9.49)上單調(diào)遞增,在(9.49,+∞)上單調(diào)遞減,當(dāng)x≈9.49時函數(shù)取得極大值,由于在數(shù)列中n∈N*,故取臨近的正整數(shù)n=9或10時{an}為最大項,實際計算得a9=a10=1010119.
評析利用函數(shù)的圖象或運算就能解決數(shù)列的問題,畢竟數(shù)列本質(zhì)就是函數(shù).除此之外,利用函數(shù)的其它性質(zhì),如單調(diào)性、周期性、最值,都可以有效地解決相應(yīng)的數(shù)列問題.有時甚至能突破常規(guī)思路,達到“秒殺”的效果,這需要學(xué)習(xí)者不光熟練掌握函數(shù)的各種性質(zhì),還能在類似的問題情景中靈活變通地應(yīng)用.
偶有一日,筆者看到當(dāng)代詩人卞之琳《斷章》中的一句“你在橋上看風(fēng)景,看風(fēng)景的人在樓上看你”[2],于是突發(fā)奇想:是不是可以互換視角,把“橋上”的函數(shù)視為“風(fēng)景”呢?
2從數(shù)列角度看函數(shù)
例3設(shè)g(x)是定義在R上以1為周期的函數(shù),若函數(shù)f(x)=x+g(x)在區(qū)間[3,4]上的值域為[-2,5],則f(x)在區(qū)間[-10,10]上的值域為.
函數(shù)解法若x∈[4,5],則x-1∈[3,4],f(x-1)∈[-2,5],于是f(x)=x+g(x) =x+g(x-1)=x-1+g(x-1)+1=f(x-1)+1∈[-1,6],同理可得,若x∈[-10,-9],則f(x)∈[-15,-8],…,若x∈[9,10],則f(x)∈4,11,所以f(x)的值域為[-15,-8]∪…∪[-1,6]∪…∪[4,11]=[-15,11].
數(shù)列解法由于g(x)是以1為周期的函數(shù),即g(x+1)=g(x),不妨看作數(shù)列{gn}滿足gn+1=gn,顯然是一個常數(shù)列(實際上函數(shù)g(x)的值域是一個固定的區(qū)間),不妨設(shè)gn=t.再把函數(shù)f(x)看作數(shù)列{fn},則fn=n+t,顯然是一個公差為1的等差數(shù)列,故函數(shù)f(x)在區(qū)間4,5上的值域比在區(qū)間3,4上的值域-2,5整體增加1個公差,為-1,6,在區(qū)間5,6上的值域增加2個公差為0,7,……,同理在區(qū)間9,10上的值域增加6個公差,為4,11,而在區(qū)間-10,-9上的值域則減少13個公差,為-15,-8.綜合以上,f(x)在區(qū)間-10,10上的值域為-15,11.
例4已知定義在[0,+∞)上的函數(shù)f(x)滿足f(x)=3f(x+2).當(dāng)x∈[0,2)時,f(x)=-x2+2x.設(shè)f(x)在[2n-2,2n)上的最大值為an(n∈N),且數(shù)列{an}的前n項和為Sn,則limn→∞Sn=.
函數(shù)解法可知a1=f(1)=1,當(dāng)x∈[2,4)時,求得解析式為f(x)=13(-x2+6x-8)=-13(x-3)2+13,所以a2=f(3)=13;當(dāng)x∈[4,6)時,求得解析式為f(x)=19(-x2+10x-24)=-19(x-5)2+19,所以a3=f(5)=19,…,歸納猜測得an=f(2n-1)=13n-1,所以limn→∞Sn=a11-q=11-13=32.
數(shù)列解法由f(x)=3f(x+2),得f(x+2)f(x)=13(f(x)=0除外),可把函數(shù)f(x)看作公比為13的等比數(shù)列群,每一項的“寬度”為2,區(qū)間[0,2)上對應(yīng)的所有函數(shù)值皆為首項,區(qū)間[2,4)上對應(yīng)的所有函數(shù)值皆為第二項,……,區(qū)間[2n-2,2n)上對應(yīng)的所有函數(shù)值皆為第n項.由于a1=1,則a2=a1·13=13,a3=a1·132=19,…,an=13n-1,limn→∞Sn=a11-q=32.
評析用數(shù)列的思想反過來解決函數(shù)問題時,略顯“簡單粗暴”.本質(zhì)上是把原來較復(fù)雜的函數(shù)簡化成了另一個函數(shù),將不是必須的條件剔除掉,抓住主要的關(guān)系即可,而表達式只是一個表達的形式而已,f(n)即an,an即f(n).因為數(shù)列模型本身就比函數(shù)模型簡單,非等差即等比,前后關(guān)系就在項與項之間,所以簡化之后計算難度也會隨之降低.
3結(jié)束語
筆者從最初有這個“逆向觀察”的想法到發(fā)現(xiàn)可應(yīng)用的例題,著實有點小驚喜,但是深入探究后發(fā)現(xiàn)這種逆向處理存在一定的局限性.一是可被套用的數(shù)列模型較少,高中階段相對熟練的也就只有等差數(shù)列和等比數(shù)列兩種;二是對于解析式已經(jīng)明確的函數(shù),“粗獷”的數(shù)列顯得無計可施,反倒是抽象函數(shù)更便于轉(zhuǎn)化;三是這種方法并不適用于解答題,因為它更像是一種特殊法,僅在填空題和選擇題中體現(xiàn)其作用.
新課程標準里對當(dāng)下數(shù)學(xué)教育提出了要求:會用數(shù)學(xué)的眼光觀察世界,會用數(shù)學(xué)的思維分析世界,會用數(shù)學(xué)的語言表達世界.“逆向觀察”是一個挺有意思的想法,由此“逆向思考”和“逆向處理”緊隨其后,既能深刻感受知識之間的聯(lián)系,又能得到出乎意料的結(jié)果,倒也不失為一種創(chuàng)新意識.
誰是風(fēng)景?誰又是看風(fēng)景的人?誰在橋上?誰又在樓上?橋上的人或許也能看到遠處樓臺的窗前有個人影……函數(shù)與數(shù)列本就“代數(shù)一家親”,若是換位去思考,都會成為彼此眼中的“美好”.
參考文獻
[1]上海市中小學(xué)(幼兒園)課程改革委員會.高級中學(xué)課本數(shù)學(xué)高中二年級第一學(xué)期[M]. 上海:上海教育出版社,2007:6.
[2]卞之琳. 魚目集[M]. 北京:人民文學(xué)出版社,2001.1:08.
作者簡介陳駿(1982—),男,中學(xué)一級教師,上海市高境第一中學(xué)數(shù)學(xué)教研組組長,寶山區(qū)教學(xué)能手;主要研究高中數(shù)學(xué)教學(xué)與高考、HPM教學(xué)案例、數(shù)學(xué)建模教學(xué)案例.