用常規(guī)思維解決非常規(guī)問題

盧紅衛(wèi)

(江蘇省張家港市外國語學(xué)校 215600)

2021年全國高中數(shù)學(xué)聯(lián)合競賽一試第7題看似形式復(fù)雜，實(shí)則用簡潔的常規(guī)思路即可解決.

題目a1,a2,…,a21為1,2,…,21的排列，滿足|a20-a21|≥|a19-a21|≥|a18-a21|≥…≥|a1-a21|，這樣的排列的個數(shù)為.

思路1 特殊開路，歸納猜想.

a1,a2,…,a5為1,2,…,5的排列，滿足|a4-a5|≥|a3-a5|≥|a2-a5|≥|a1-a5|這樣的排列的個數(shù)N=1+2+22+2+1.

a1,a2,…,a7為1,2,…,7的排列，滿足|a6-a7|≥|a5-a7|≥…≥|a2-a7|≥|a1-a7|這樣的排列的個數(shù)N=1+2+22+23+22+2+1.

歸納猜想：a1,a2,…,a21為1,2,…,21的排列，滿足|a20-a21|≥|a19-a21|≥|a18-a21|≥…≥|a1-a21|這樣的排列的個數(shù)N=1+2+ 22+…+29+210+29+…+2+1=3 070.

思路2 利用數(shù)軸，一一羅列.

數(shù)軸上標(biāo)號為i(i=1,2,3,…,20,21)的點(diǎn)記為Pi，共有21個點(diǎn)，a1,a2,…,a21分布在這21個點(diǎn)，|ai-a21|表示數(shù)軸上兩點(diǎn)距離.

當(dāng)a21在P1處，則ai(i=1,2,…,20)在Pi+1處，這樣的排列數(shù)為N1=1.

當(dāng)a21在P2處，則a1,a2在離P2距離為1的P1,P3兩點(diǎn)，ai(i=3,4,…,20)在Pi+1處，這樣的排列數(shù)為N2=2.

當(dāng)a21在P3處，則a1,a2在離P3距離為1的P2,P4兩點(diǎn)，a3,a4在離P3距離為2的P1,P5兩點(diǎn)，ai(i=5,6,…,20)在Pi+1處，這樣的排列數(shù)為N3=22.

……

當(dāng)a21在P11處，則a1,a2在離P11距離為1的P10,P12兩點(diǎn)，a3,a4在離P11距離為2的P9,P13兩點(diǎn)，……，a19,a20在離P11距離為10的P1,P21兩點(diǎn)，這樣的排列數(shù)為N11=210.

當(dāng)a21在P12處，則a1,a2在離P12距離為1的P11,P13兩點(diǎn)，a3,a4在離P12距離為2的P10,P14兩點(diǎn)，……，a17,a18在離P12距離為9的P3,P21兩點(diǎn)，a19在P2，a20在P1，這樣的排列數(shù)為N12=29.

……

當(dāng)a21在P21處，則ai(i=1,2,3,…,20)依次分布在P21-i處，這樣的排列數(shù)為N21=1.

思路3 尋找規(guī)律，合理分類.

因?yàn)閍21為特殊元素，抓住a21進(jìn)行分類討論，又根據(jù)對稱性，不難發(fā)現(xiàn)：a21=1和a21=21時，|ai-a21|的所有取值情況是一樣的，a21=2和a21=20時，|ai-a21|的所有取值情況是一樣的，a21=i和a21=22-i，i∈{1,2,…,10}時，|ai-a21|的所有取值情況是一樣的.

評析思路1通過特殊化思想的運(yùn)用，先思考兩次數(shù)字較少的情形，很容易得到相應(yīng)的排列數(shù)，再通過歸納猜想，就很容易得到此題的正確答案.思路2很好地利用了數(shù)軸這個有力工具，在黑板上直觀呈現(xiàn)，排好a21的位置后，讓學(xué)生動手操作排ai的位置，隨著a21的變化，學(xué)生很容易得出相應(yīng)的排列數(shù).思路3是在思路2的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了a21=i和a21=22-i，i∈{1,2,…,10}時，|ai-a21|的所有取值情況是一樣的，因?yàn)榇嬖趯ΨQ性，所以設(shè)a21=k，只需考慮k∈{1,2,…,10,11}的情形.數(shù)軸上的操作已經(jīng)讓學(xué)生明白其基本原理，學(xué)生嘗試總結(jié)，教師通過適當(dāng)輔助，完成a2i-1,a2i為k-i,k+i的排列(若k=1，沒有這樣的i)，且aj=j+1(2k-1≤j≤20)(若k=11，則沒有這樣的j)這樣的規(guī)律總結(jié).整個思維過程順暢，簡潔易懂，學(xué)生對解決此類問題所用的研究思路有了深刻感悟.

緊接著，筆者給出了以下題目讓學(xué)生練習(xí)：已知數(shù)列ak=2k(k=1,2,3,…,n)，則所有可能的乘積aiaj(1≤i≤j≤n)的和等于.

課堂上學(xué)生很快給出了如下兩種思路：

思路1 列舉找通項(xiàng).

思路2 利用數(shù)表，直觀呈現(xiàn).

a1a1a1a2a1a3a1a4a1a5…a1ana2a1a2a2a2a3a2a4a2a5…a2ana3a1a3a2a3a3a3a4a3a5…a3ana4a1a4a2a4a3a4a4a4a5…a4ana5a1a5a2a5a3a5a4a5a5…a5an…………………ana1ana2ana3ana4ana5…anan

圖1

評析練習(xí)與例題看似不相關(guān)的兩個問題，實(shí)則所用的思想方法類似，都是通過特值開路、一一羅列后探求規(guī)律.而數(shù)軸、數(shù)表都是教材上常見的工具，通過這些直觀工具的運(yùn)用，在動手操作的過程中發(fā)現(xiàn)規(guī)律.練習(xí)思路1先是取i=1，羅列a1aj(1≤j≤n)所有項(xiàng)的和，再取i=2，羅列a2aj(2≤j≤n)所有項(xiàng)的和，接著找出通項(xiàng)為2k(2k+2k+1+…+2n)，化簡通項(xiàng)得2k+n+1-22k，最后為兩個等比數(shù)列求和.競賽題的思路2利用數(shù)軸，練習(xí)的思路2則利用數(shù)表直觀呈現(xiàn)，學(xué)生通過觀察可將數(shù)表分解為三個部分，由對稱性知左右兩部分各項(xiàng)和相等，中間和右邊各項(xiàng)和即為所求.

如何提升優(yōu)秀學(xué)生的數(shù)學(xué)思維，面對復(fù)雜問題，突破思維壁壘，是值得我們思考的問題.數(shù)學(xué)競賽題復(fù)雜多變，怎樣在錯綜復(fù)雜中尋找到最佳路線，需要的是巧做、化繁為簡，利用常規(guī)思維方法來思考并解決復(fù)雜問題.學(xué)生通過動手操作，發(fā)現(xiàn)問題的本質(zhì)規(guī)律，克服畏難情緒，增強(qiáng)學(xué)習(xí)信心，從而提高學(xué)習(xí)效率，形成優(yōu)秀的思維品質(zhì)和數(shù)學(xué)素養(yǎng).