函數(shù)性質(zhì)中的數(shù)學(xué)抽象在問題解決與設(shè)計中的應(yīng)用

201299 上海市新川中學(xué) 姚志青

2017年版《普通高中數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》給出了普通高中數(shù)學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)要求，包括數(shù)學(xué)抽象、邏輯推理、數(shù)學(xué)建模、直觀想象、數(shù)學(xué)運算、數(shù)據(jù)分析六個方面.數(shù)學(xué)發(fā)展所依賴的思想在本質(zhì)上有三個，即抽象、推理、模型，其中抽象是核心.數(shù)學(xué)抽象作為一種數(shù)學(xué)思想滲透在數(shù)學(xué)學(xué)科的各個知識點之中，筆者對如何在函數(shù)性質(zhì)中體現(xiàn)數(shù)學(xué)抽象以及如何應(yīng)用數(shù)學(xué)抽象進(jìn)行問題設(shè)計展開實踐與研究.

一、 數(shù)學(xué)抽象在函數(shù)性質(zhì)中的體現(xiàn)

函數(shù)是貫穿高中數(shù)學(xué)的一條主線，數(shù)學(xué)抽象在函數(shù)問題中的應(yīng)用非常廣泛，以2021年上海高考的數(shù)學(xué)壓軸題為例.

原題如果對于任意的x1,x2∈R，當(dāng)x1-x2∈S時，恒有f(x1)-f(x2)∈S成立，則稱f(x)是S關(guān)聯(lián).

(1)判斷并證明f(x)=2x-1是否是[0,+∞)關(guān)聯(lián)？是否是[0,1]關(guān)聯(lián)？

(2)已知f(x)是{3}關(guān)聯(lián)，且x∈[0,3)時，f(x)=x2-2x，解不等式2≤f(x)≤3.

(3)求證：“f(x)是{1}關(guān)聯(lián)，且是[0,+∞)關(guān)聯(lián)”的充要條件是“f(x)是[1,2]關(guān)聯(lián)”.

這個問題是一個函數(shù)的定義型問題，它定義了“f(x)是集合S關(guān)聯(lián)的概念”，通過函數(shù)性質(zhì)的應(yīng)用考查學(xué)生的數(shù)學(xué)核心素養(yǎng).函數(shù)性質(zhì)的應(yīng)用體現(xiàn)了其源于教材中的形式，需要將函數(shù)的性質(zhì)在文字語言、符號語言、圖像表述三個方面進(jìn)行內(nèi)化，以理解函數(shù)性質(zhì)的本質(zhì)特征.這個內(nèi)化的過程可以體現(xiàn)在數(shù)學(xué)抽象方面，所謂數(shù)學(xué)抽象就是能夠根據(jù)一類數(shù)學(xué)對象抽取或歸納出其本質(zhì)特征的思維過程.筆者結(jié)合上述具體的步驟，分析問題中涉及數(shù)學(xué)抽象的三個方面.

小問(1)解：由f(x)=2x-1，得f(x1)-f(x2)=2(x1-x2).

當(dāng)x1-x2∈[0，+∞)時，f(x1)-f(x2)∈[0,+∞)，所以f(x)是[0,+∞)關(guān)聯(lián)；當(dāng)x1-x2∈[0,1]時，f(x1)-f(x2)∈[0,2]，所以f(x)不是[0,1]關(guān)聯(lián).

(一)數(shù)學(xué)抽象需要類比抽象

由題中f(x1)-f(x2)的形式容易類比聯(lián)想到教材中的形式，在函數(shù)單調(diào)性中，通過f(x1)-f(x2)來作差比較f(x1)，f(x2)大小，從而確定f(x)的單調(diào)性.解題過程中“由f(x)=2x-1得到f(x1)-f(x2)=2(x1-x2)，則當(dāng)x1-x2∈[0，+∞)時，f(x1)-f(x2)∈[0,+∞)”的本質(zhì)就是“當(dāng)x1≥x2時，都有f(x1)≥f(x2)”，類比聯(lián)想到函數(shù)的單調(diào)遞增的性質(zhì)(非嚴(yán)格單調(diào))，所以可以通過類比的方法抽象得到f(x1),f(x2)的性質(zhì).類比抽象就是通過類比的方法抽象出數(shù)學(xué)對象的形式或性質(zhì)，它包括兩個方面，一個是類比，一個是抽象.類比本身是非常重要的數(shù)學(xué)思想方法，數(shù)學(xué)中的類比是基于對兩類數(shù)學(xué)對象的共性比較得出它們可能具有的其他形式或者性質(zhì)的方法.

小問(2)解：f(x)是{3}關(guān)聯(lián)，所以當(dāng)x1-x2=3時，恒有f(x1)-f(x2)=3成立.

由f(x1)-f(x2)=x1-x2，得f(x1)-x1=f(x2)-x2，令F(x)=f(x)-x，有F(x1)=F(x2)，得到F(x2+3)=F(x2)，即對任意x∈R，都有F(x+3)=F(x).

故F(x)是一個周期為3的函數(shù)，且x∈[0,3)時，F(xiàn)(x)=x2-3x.

圖1

(二)數(shù)學(xué)抽象需要表征抽象

表征抽象就是以數(shù)學(xué)對象的呈現(xiàn)特征抽象構(gòu)建出其形象化的特征結(jié)構(gòu).譬如由f(x1)-x1=f(x2)-x2的呈現(xiàn)特征，令F(x)=f(x)-x，為使f(x)-x的性質(zhì)表征更加明顯，需要抽象構(gòu)建出函數(shù).解不等式2-x≤F(x)≤3-x的過程中，代數(shù)方法解決不等式問題比較復(fù)雜，利用數(shù)形結(jié)合的思想，可以用幾何圖像解決不等式問題，作出F(x)=x2-3x，g(x)=2-x，h(x)=3-x的圖像滿足F(x)在g(x)，h(x)之間的部分.對于表征抽象而言，關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)特征的研究和歸納表述.對于同一個問題，表征抽象的觀察點不同，抽象得到的性質(zhì)特征也會不同，譬如上述“當(dāng)x1-x2=3時，恒有f(x1)-f(x2)=3成立”還可以抽象到“對任意的實數(shù)x∈R，恒有f(x+3)=f(x)+3成立”.

小問(3)解：

必要性：已知f(x)是{1}關(guān)聯(lián)，且是[0,+∞)關(guān)聯(lián)，

由f(x)是{1}關(guān)聯(lián)知f(x+1)-f(x)=1，即f(x+1)=f(x)+1，

由f(x)是[0,+∞)關(guān)聯(lián),可知對任意x1-x2≥0，都有f(x1)-f(x2)≥0，即x1≥x2時，都有f(x1)≥f(x2)，所以，當(dāng)x1-x2≥1時,x1≥x2+1,f(x1)≥f(x2+1),則有f(x1)≥f(x2)+1，f(x1)-f(x2)≥1.

當(dāng)x1-x2≤2時，x1≤x2+2，有f(x1)≤f(x2+2)，則f(x1)≤f(x2+1)+1=f(x2)+2，f(x1)-f(x2)≤2.

因此，當(dāng)x1-x2∈[1,2]時，都有f(x1)-f(x2)∈[1,2]，即f(x)是[1,2]關(guān)聯(lián).

(三)數(shù)學(xué)抽象需要強、弱抽象

上述解題過程中將“f(x)是{1}關(guān)聯(lián)推出對任意的x1-x2=1，都有f(x1)-f(x2)=1”理解為當(dāng)自變量相差1的時候都有相應(yīng)的函數(shù)值也相差1，這樣的表述雖然弱化了對于定義描述的嚴(yán)謹(jǐn)性，但便于記憶表述.在應(yīng)用過程中，又可以進(jìn)一步加強為“對于任意的實數(shù)x，都有f(x+1)-f(x)=1”，這樣的描述是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，而且便于理解表?在概念教學(xué)中，數(shù)學(xué)抽象需要體現(xiàn)出不拘于形式的內(nèi)化理解，這個內(nèi)化理解根據(jù)實際情況的需要可以對研究對象進(jìn)行弱化或強化的表述，也就是強抽象和弱抽象.滬教版新教材中關(guān)于增函數(shù)的定義為：“對于定義在D上的函數(shù)y=f(x)，設(shè)區(qū)間I是D的一個子集，對于區(qū)間I上的任意給定的兩個自變量的值x1,x2，當(dāng)x10都有f(x+ε)>f(x)成立，則稱函數(shù)f(x)在區(qū)間I上為嚴(yán)格增函數(shù)”.用強抽象可以將上述圖形特征抽象為“函數(shù)f(x)圖像上的任意兩個不同的點，都有右邊的點高于左邊的點，則函數(shù)f(x)圖像為嚴(yán)格增函數(shù)圖像”.強抽象即通過在原型中引入新特征，使原型內(nèi)涵增加，結(jié)構(gòu)變強，從數(shù)學(xué)對象的關(guān)鍵屬性或特征中強化其特征屬性.

二、 應(yīng)用數(shù)學(xué)抽象進(jìn)行問題設(shè)計

從顯性來看，數(shù)學(xué)抽象是學(xué)生在觀察、思考、表達(dá)三個方面的能力，通過數(shù)學(xué)抽象進(jìn)行問題設(shè)計是幫助學(xué)生實現(xiàn)問題解決和提升數(shù)學(xué)抽象能力的有效途徑.在高三函數(shù)性質(zhì)的復(fù)習(xí)課中，根據(jù)數(shù)學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要求，筆者對如何通過數(shù)學(xué)抽象進(jìn)行問題設(shè)計展開教學(xué)實踐的研究和分析(如圖2所示).

圖2

問題設(shè)計1對于任意的x1,x2∈R，當(dāng)x1-x2∈S時，恒有f(x1)-f(x2)∈S成立，則稱f(x)是S關(guān)聯(lián).求證:如果f(x)是{1}關(guān)聯(lián)，那么f(x)是{2}關(guān)聯(lián).

解題反饋1學(xué)生解題情況統(tǒng)計結(jié)果顯示，參加解題的十位學(xué)生都不能給出完整的證明過程，但是證明過程中的第一步基本都能表述出來，即寫到如下證明步驟后證明思路就戛然而止.

解：由f(x)是{1}關(guān)聯(lián)，則對任意的x1,x2∈R，當(dāng)x1-x2=1時，都有f(x1)-f(x2)=1.

解題難點分析：由“對任意的x1,x2∈R，當(dāng)x1-x2=1時，都有f(x1)-f(x2)=1”推理得到“對任意的x1,x2∈R，當(dāng)x1-x2=2時，都有f(x1)-f(x2)=2”的邏輯關(guān)系缺乏直觀想象，而且推出關(guān)系的表述存在較大困難.在教材中，經(jīng)常用一個變量x的特征形式來表示函數(shù)f(x)的性質(zhì)，學(xué)生對于理解x1-x2=1中兩個變量x1,x2之間的關(guān)系存在一定的困難.

難點突破策略：通過數(shù)學(xué)抽象，在保持函數(shù)性質(zhì)不變的前提下，可以將問題抽象轉(zhuǎn)化為熟悉的形式.譬如，將“對任意的x1-x2=1，都有f(x1)-f(x2)=1”進(jìn)行適當(dāng)?shù)膹?、弱抽?通過弱抽象表述為“當(dāng)自變量增大1個單位時，函數(shù)值增大1個單位”，通過強抽象表述為“對任意的x∈R,都有f(x+1)-f(x)=1”.通過數(shù)學(xué)抽象之后，將問題進(jìn)行再設(shè)計.

問題設(shè)計2對于任意的x1,x2∈R，當(dāng)x1-x2∈S時，恒有f(x1)-f(x2)∈S成立，則稱f(x)是S關(guān)聯(lián).

(1)求證：如果f(x)是{1}關(guān)聯(lián)，那么對任意的x∈R，都有f(x+1)-f(x)=1.

(2)求證：如果f(x)是{1}關(guān)聯(lián)，那么f(x)是{2}關(guān)聯(lián).

解題反饋2學(xué)生解題情況統(tǒng)計結(jié)果顯示，參加解題的十位學(xué)生都能完成小問(1)的證明，完成小問(2)證明的學(xué)生只有五位.對比問題設(shè)計1中的解題情況反饋，通過數(shù)學(xué)抽象得到“任意的x∈R，都有f(x+1)-f(x)=1”的形式后，學(xué)生可以明顯體會到數(shù)學(xué)抽象的思想和方法，由表征抽象將“f(x1),f(x2)的關(guān)系”抽象到“f(x+1),f(x)的關(guān)系”.對于小問(2)，有五位學(xué)生能夠獨立應(yīng)用表征抽象將“f(x1),f(x2)的關(guān)系”抽象到“f(x+2),f(x)的關(guān)系”后得到f(x)是{2}的關(guān)聯(lián)，這五位學(xué)生在這個問題中表現(xiàn)出已經(jīng)逐步達(dá)到了應(yīng)用數(shù)學(xué)抽象解決問題的素養(yǎng)要求.完成全部證明過程學(xué)生的解題過程歸納如下.

小問(1)解：由f(x)是{1}關(guān)聯(lián)，則對任意的x1,x2∈R，當(dāng)x1-x2=1時，都有f(x1)-f(x2)=1.由x1-x2=1，得x1=x2+1，代入f(x1)-f(x2)=1得f(x2+1)-f(x2)=1，故f(x2+1)=f(x2)+1，即f(x+1)-f(x)=1.

小問(2)解：由小問(1)得對任意的x∈R,都有f(x+1)-f(x)=1，同理f(x+2)-f(x+1)=1，上述兩式相加得f(x+2)-f(x)=2，即f(x)是{2}關(guān)聯(lián).

解題難點分析：小問(2)中，“f(x)是{2}關(guān)聯(lián)”的充要條件為“對任意的x1,x2∈R，當(dāng)x1-x2=2時，都有f(x1)-f(x2)=2”，需要繼續(xù)通過數(shù)學(xué)抽象表述為“對任意的x∈R，都有f(x+2)-f(x)=2”，數(shù)學(xué)抽象是邏輯推理和表述過程的前提.

難點突破策略：通過數(shù)學(xué)抽象的表征抽象將“f(x)是{2}關(guān)聯(lián)”抽象為“f(x+2)-f(x)=2”.

問題設(shè)計3對于任意的x1,x2∈R，當(dāng)x1-x2∈S時，恒有f(x1)-f(x2)∈S成立，則稱f(x)是S關(guān)聯(lián).

(1)求證：如果f(x)是{1}關(guān)聯(lián)，那么對任意的x∈R，都有f(x+1)-f(x)=1.

(2)如果任意的x∈R，都有f(x+1)-f(x)=1，求證：f(x+2)-f(x)=2.

(3)求證：如果f(x)是{1}關(guān)聯(lián)，那么f(x)是N*關(guān)聯(lián).

解題反饋3問題設(shè)計3中的小問(2)是主要針對在問題設(shè)計2中沒能完成解答的五位學(xué)生進(jìn)行的教學(xué)對比實驗，其主要變化是將原先的條件“f(x)是{2}關(guān)聯(lián)”替換為“f(x+2)-f(x)=2”.統(tǒng)計結(jié)果顯示這五位學(xué)生對小問(2)都給出了正確的證明，還有學(xué)生對小問(3)進(jìn)行了嘗試證明.對小問(3)的解題過程歸納如下.

小問(3)解：由f(x)是{1}關(guān)聯(lián)，可知對任意的x∈R，都有f(x+1)-f(x)=1，f(x+1)=f(x)+1，所以對n∈N*，有f(x+n)=f(x+n-1)+1=f(x+n-2)+2=…=f(x)+n，即f(x+n)-f(x)=n，所以f(x)是N*關(guān)聯(lián).

解題難點分析：小問(3)的問題設(shè)計是由“f(x)是{1}關(guān)聯(lián)”的特征類比抽象到“f(x)是{2}關(guān)聯(lián)”，進(jìn)而由特殊到一般的思想，繼續(xù)通過類比抽象得到問題“f(x)是N*關(guān)聯(lián)”.由問題中的數(shù)字運算拓展到字母運算，其難點在于邏輯關(guān)系的導(dǎo)出與描述.

難點突破策略：通過由“f(x)是{1}關(guān)聯(lián)”推理出“f(x)是{2}關(guān)聯(lián)”的邏輯關(guān)系，不難得出“f(x)是{3}關(guān)聯(lián)，{4}關(guān)聯(lián)……”類比這樣的遞推關(guān)系，可以聯(lián)系到數(shù)列中的遞推關(guān)系，因此可以通過類比抽象的思想，應(yīng)用數(shù)列中遞推關(guān)系的表述方法來證明f(x)是N*關(guān)聯(lián).

在函數(shù)的性質(zhì)中，函數(shù)的奇偶性、單調(diào)性、周期性等性質(zhì)都可以嘗試通過數(shù)學(xué)抽象達(dá)到理解內(nèi)化的過程.以函數(shù)的奇偶性為例，關(guān)于偶函數(shù)定義中“對于任意的x∈D，都有f(-x)=f(x)”的理解，通過弱抽象可以表述為“定義域內(nèi)的任意兩個互為相反數(shù)的自變量，它們對應(yīng)的函數(shù)值相等”，通過強抽象可以表述為“對于任意的x1,x2∈D，當(dāng)x1+x2=0時，都有f(x1)=f(x2)”，這種抽象到x1,x2來定義的形式，可以與函數(shù)單調(diào)性的定義形式統(tǒng)一起來.用相同的x1,x2來定義不同的函數(shù)性質(zhì)可以幫助學(xué)生體會這些性質(zhì)的共性以及本質(zhì)特征，啟發(fā)學(xué)生的抽象思維.函數(shù)的性質(zhì)本質(zhì)上是由自變量和因變量的變化特征所體現(xiàn)出來，所以在表征抽象之后可以通過弱抽象幫助學(xué)生理解函數(shù)的本質(zhì)，通過強抽象幫助學(xué)生用不同方式嚴(yán)謹(jǐn)而準(zhǔn)確地表述函數(shù)性質(zhì).學(xué)生對于學(xué)習(xí)內(nèi)容掌握的關(guān)鍵在于能夠?qū)⑺芯康臄?shù)學(xué)對象抽象到能夠理解內(nèi)化的文字語言、符號語言和圖像語言.關(guān)于數(shù)學(xué)抽象、邏輯推理和數(shù)學(xué)建模，史寧中教授給出這樣的理解：通過抽象，在現(xiàn)實生活中得到數(shù)學(xué)的概念和運算法則，通過推理得到數(shù)學(xué)的發(fā)展，然后通過模型建立數(shù)學(xué)與外部世界的聯(lián)系.可以看出，無論是由現(xiàn)實生活到數(shù)學(xué)概念的抽象，還是在數(shù)學(xué)問題解決過程中的數(shù)學(xué)抽象思維，都體現(xiàn)了數(shù)學(xué)抽象作為數(shù)學(xué)素養(yǎng)的核心價值.