美英早期代數(shù)教科書中的一元二次不等式

狄 邁 (華東師范大學(xué)教師教育學(xué)院 200062)

1 引言

高考綜合改革制度下《普通高中數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》(下稱《標(biāo)準(zhǔn)》)將原課標(biāo)位于“必修五”的“不等式”置于必修模塊“主題一：預(yù)備知識(shí)”，要求幫助學(xué)生通過類比理解等式與不等式的異同，更進(jìn)一步地從函數(shù)觀點(diǎn)看一元二次不等式[1]．在“雙新”背景之下，“一元二次不等式”作為初升高“預(yù)備知識(shí)”，正處于學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)銜接的核心地位，這時(shí)要幫助學(xué)生體會(huì)數(shù)學(xué)語言的抽象性以及思維方式從感性到理性的躍遷，使學(xué)生順利地跨越斷層，完成初高中數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的過渡．[2]

另一方面，《標(biāo)準(zhǔn)》重視數(shù)學(xué)文化的作用，提出“通過高中數(shù)學(xué)課程的學(xué)習(xí)，認(rèn)識(shí)數(shù)學(xué)的科學(xué)價(jià)值、應(yīng)用價(jià)值、文化價(jià)值和審美價(jià)值”[1]，數(shù)學(xué)不僅是一些知識(shí)，而且是一種素質(zhì)；當(dāng)然數(shù)學(xué)也不僅是一門科學(xué)，更是一種文化；在“課程結(jié)構(gòu)”中指出，“把數(shù)學(xué)文化融入課程內(nèi)容中”．?dāng)?shù)學(xué)史是數(shù)學(xué)文化的重要組成部分．實(shí)踐表明，在數(shù)學(xué)教學(xué)中，數(shù)學(xué)史可以揭示知識(shí)之諧，呈現(xiàn)方法之美，營造探究之樂，達(dá)成能力之助，展示文化之魅，實(shí)現(xiàn)德育之效[3]．

研究表明，對于剛學(xué)習(xí)不等式知識(shí)的學(xué)生來說，有較為明顯的歷史相似性[4]．學(xué)生在求解一元二次不等式過程中常出現(xiàn)將解方程代替解不等式、將解方程方法遷移到不等式等錯(cuò)誤[5]．考慮到學(xué)生的先驗(yàn)知識(shí)，教師必須遵循教材編排順序進(jìn)行教學(xué)，但是新入學(xué)的學(xué)生常會(huì)產(chǎn)生如下疑惑：等式與不等式在求解上有何異同？為何要用函數(shù)的方法對不等式進(jìn)行求解？不等式的各種求解方式有何聯(lián)系？為了回答這些問題，我們對美英早期教科書中有關(guān)一元二次不等式的內(nèi)容進(jìn)行考察，以期從中獲取思想的啟迪，為教學(xué)提供有益的參考．

2 早期文獻(xiàn)中的不等式性質(zhì)

公元前3世紀(jì)，古希臘數(shù)學(xué)家歐幾里得(Euclid)在《幾何原本》中提出公理——“整體大于部分”，在此基礎(chǔ)上，借助不等式的基本性質(zhì)證明了許多涉及不等關(guān)系的命題．

如卷一命題17：“任意一個(gè)三角形，其兩內(nèi)角的和總小于兩個(gè)直角．”歐幾里得的證明如下：如圖1，因∠ACD>∠ABC，故∠ACD+∠ACB>∠ABC+∠ACB，因此，∠ABC+∠ACB小于二直角．這里，歐幾里得運(yùn)用了不等式的性質(zhì)：若x>y，則x+z>y+z．

圖1

19世紀(jì)30年代，美英代數(shù)教科書中已經(jīng)出現(xiàn)了不等式(Inequality)及其簡單的運(yùn)算規(guī)則．Davies總結(jié)了不等式的以下性質(zhì)[7]：

(1)在不等式兩端增加或減去相同的數(shù)量，所得到的不等關(guān)系不變．

(2)將相同意義(不等號相同)的兩個(gè)不等式兩端分別相加，所得到的不等關(guān)系不變．如，若a>b,c>d,e>f，則a+c+e>b+d+f；但兩端分別相減時(shí)，結(jié)果不一定成立，如9>10，8>6，但9-8<10-6．

(3)不等式兩端同乘一個(gè)正數(shù)，所得到的不等關(guān)系不變．如，由a>b可得3a>3b；不等式兩端同乘一個(gè)負(fù)數(shù)，所得到的不等關(guān)系反向，如，由8>7，兩端同乘-3，得-24<-21．

(4)正數(shù)之間的不等式兩端各取平方值，不等關(guān)系不變．

(5)當(dāng)不等式兩端有一負(fù)數(shù)時(shí)，無法在執(zhí)行運(yùn)算之前知道結(jié)果是什么．

該書對不等式的基本性質(zhì)進(jìn)行了介紹，指出不等式的變形與等式變形是類似的．

Edgerton等人敘述了不等式變形的七條法則，指出：若不等式兩端的值均為正，則兩端取相同次冪或相同次方根，不等關(guān)系不變，并且可以像等式那樣對不等式進(jìn)行變形[8]．

我們看到，古希臘時(shí)期數(shù)學(xué)家借助幾何圖形得到不等式的基本性質(zhì)．到后來，數(shù)學(xué)家們均提出“像等式變形那樣，對不等式進(jìn)行變形”，所提出的變形規(guī)則也依據(jù)等式的變形規(guī)則而來再加以完善．換句話說，一切依賴于不等式變形的不等式求解，與其相應(yīng)的等式變形與求解過程是一體同心的．

3 一元二次不等式的求解

直到19世紀(jì)末，代數(shù)教科書中終于出現(xiàn)了一元二次不等式及其解法，其解法一定程度上借鑒了一元二次方程的求解方式．

3.1 配方法

與一元二次方程的情形類似，對于一元二次不等式，人們最先想到的解法也是配方法．但與方程情形不同的是，在求解不等式時(shí)，人們并沒有借助于幾何圖形．

Smith給出了一元二次不等式的第一種解法——配方法[9]．例如，對于不等式x2-4x+3>-1，將不等式左邊進(jìn)行配方，得x2-4x+3=(x-2)2-4+3．因此，不等式變?yōu)?x-2)2-1>-1，故得不等式的解集為{x|x∈R,且x≠2}．

Rouse也運(yùn)用配方法對一元二次不等式進(jìn)行求解[10]．對于不等式k2-8k>0，不等式兩端分別加16，得到k2-8k+16>16，(k-4)2>16，由此可得k-4<-4，或k-4>4，于是得k>8或k<0．因此，不等式的解集為{k|k>8或k<0}．

Smith的例子較為特殊，經(jīng)移項(xiàng)，不等號左邊原本就是完全平方，并且運(yùn)算大多涉及不等號左邊的恒等變形，并未脫離等式的配方法．Rouse運(yùn)用不等式的基本性質(zhì)，通過不等號兩邊加上同一常數(shù)進(jìn)行配方，將等式的某些結(jié)論遷移至不等式，展現(xiàn)了不等式配方法本身的特點(diǎn)．

3.2 因式分解法

歐拉(L. Euler, 1707-1783)在其《無窮分析引論》中指出，將整式函數(shù)分解成因式，其性質(zhì)就變得很明顯，一眼就可以看出變量取何值時(shí)函數(shù)值為零[11]．通過因式分解，一元二次不等式也可以更直接地看出滿足要求的x的取值范圍．

Fisher 等人利用因式分解法來解一元二次不等式．例如，對于不等式x2+5x>-6，將-6移至左邊，得x2+5x+6>0，進(jìn)而得(x+2)(x+3)>0．為了使得(x+2)與(x+3)乘積為正，則兩個(gè)乘數(shù)需同時(shí)為正或同時(shí)為負(fù)．當(dāng)x>-2時(shí)，(x+2)與(x+3)同時(shí)為正；當(dāng)x<-3時(shí)，兩者同時(shí)為負(fù)．因此，滿足該不等式的x的取值范圍為x>-2或x<-3．[12]

可見，早期人們用因式分解法來解一元二次不等式時(shí)，大多借助于代數(shù)運(yùn)算法則，通過因子相乘后的符號來推斷每一個(gè)因子的符號，進(jìn)而得出x的取值范圍，是一種以代數(shù)為導(dǎo)向的求解方式．

Miller等人對于一元二次不等式的求解提出了三種不同方式，其中包括因式分解法[13]．以不等式x2+x+6>0為例，將其寫成(x-2)(x+3)>0，根據(jù)乘積正負(fù)與因子正負(fù)的關(guān)系，得表1．

表1 (x-2)(x+3)正負(fù)與各因子正負(fù)的關(guān)系

20世紀(jì)初，教科書開始采用因式分解法來解一元二次不等式，通過乘積正負(fù)與因子正負(fù)的關(guān)系，判斷未知數(shù)x的取值范圍，隨后代入特殊數(shù)值加以檢驗(yàn)．顯然，此時(shí)人們尚未將不等式與函數(shù)聯(lián)系在一起，而只局限于代數(shù)算法規(guī)則本身，自然不會(huì)出現(xiàn)利用圖象“穿針引線”的直觀方法．

3.3 求根法

求根法是指運(yùn)用一元二次方程的求根公式，先考察判別式Δ=b2-4ac的正負(fù)情況，若滿足Δ≥0，則求出對應(yīng)一元二次方程的根，再根據(jù)二次項(xiàng)系數(shù)a的正負(fù)性確定x的取值．

Hawkes在《高等代數(shù)》中首次借助一元二次方程，對一般的一元二次不等式解的情況進(jìn)行了討論．

當(dāng)一元二次方程ax2+bx+c=0(a≠0)有相同實(shí)根或虛根的時(shí)候，相對應(yīng)的一元二次不等式的符號取決于二次項(xiàng)系數(shù)a的符號；如果方程有兩個(gè)不同的實(shí)根，x的取值介于兩根之間還是兩側(cè)，也取決于系數(shù)a的符號．具體如表2所示：

表2 Hawkes對一元二次不等式解的判斷[14]

明確將一元二次方程的根與一元二次不等式的解集聯(lián)系在一起，是這個(gè)時(shí)期教科書所實(shí)現(xiàn)的巨大飛躍，它與上文中的因式分解法的區(qū)別在于更加直接地肯定了求方程根的重要作用．可以說，求根法充分利用了一元二次方程本身的性質(zhì)，從等式出發(fā)探索不等關(guān)系，將等式的相關(guān)知識(shí)與結(jié)論運(yùn)用于不等式．但是，教科書并未解釋清楚系數(shù)a的正負(fù)與x取值介于兩根之間抑或是兩側(cè)的關(guān)系，只是將它們之間的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了簡單的概括．

3.4 函數(shù)圖象法

函數(shù)思想在中學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)中占有重要地位．今日教科書中，解一元二次不等式的主流方法就是函數(shù)法．簡單地說，函數(shù)法是指將原有一元二次不等式化為一元二次函數(shù)，根據(jù)函數(shù)的性質(zhì)繪制相應(yīng)的函數(shù)圖象，通過數(shù)形結(jié)合得到未知數(shù)取值范圍的方法．

Hedrick首次借助函數(shù)圖象解決不等式問題，總結(jié)出一元二次方程的根、其代表的函數(shù)圖象與不等式解集之間的關(guān)系．

以不等式x2+2x-8>0為例，求解滿足該不等式的未知數(shù)x的取值范圍．首先，令l(x)=x2+2x-8>0，繪制其圖象(圖2)．可以得出，l>0等價(jià)于函數(shù)圖象位于x軸上方，當(dāng)x取值位于x= -4左側(cè)或x=2右側(cè)時(shí)成立．x=-4與x=2兩個(gè)實(shí)數(shù)點(diǎn)可以通過解方程l(x)=0，即x2+2x-8=0得到．類似地，方程x2+2x-8=0的兩個(gè)根分別為x1=-4,x2=2，由圖得出，滿足不等式x2+2x-8<0的x的值介于兩根x1=-4,x2=2之間，即-4

圖2 l(x)的圖象

Hedrick指出：類似地，在任何情況下，我們都可以用圖象表示不等號的左右兩側(cè)，看看何時(shí)一方超過另一方．從圖上可以明顯地看出，我們首先應(yīng)該找出當(dāng)兩邊相等時(shí)，使得其成立的點(diǎn)就是兩個(gè)圖象的交點(diǎn)[15]．

Hedrick的方法點(diǎn)明了不等式中“相等”的重要性，“相等”是“不等”的邊界．另外，此種借助圖象來求解一元二次不等式的方式不局限于一元二次不等式，還可以推廣到任何不等式的求解．通過移項(xiàng)，繪制不等式兩側(cè)代數(shù)式所代表的函數(shù)的圖象，觀察比較兩側(cè)函數(shù)值的大小，得到對應(yīng)的自變量x的取值范圍就是不等式的解集．在該書中，作者雖用函數(shù)的圖象來求解不等式，也沒有明確提及用函數(shù)來解決不等式的問題，但是其中蘊(yùn)含了今日的函數(shù)思想．

Edgerton等人明確提出用函數(shù)來解不等式：將不等式進(jìn)行移項(xiàng)，左邊的代數(shù)式轉(zhuǎn)化為函數(shù)f(x)，繪制函數(shù)圖象，當(dāng)函數(shù)圖象位于x軸上方時(shí)，函數(shù)值為正，即滿足不等式f(x)>0[8]．

Davis給出了一般一元二次不等式的函數(shù)解法．對于一般一元二次不等式ax2+bx+c>0 (其中a,b,c均為常數(shù)，若不等號為“<”則兩端同乘-1，得到“>”)，我們繪制以x為自變量的函數(shù)y=ax2+bx+c的圖象．如果函數(shù)圖象全部位于x軸上方，那么不等式ax2+bx+c>0對于一切x均成立；相反地，如果函數(shù)圖象全部位于x軸下方，那么不等式對于任何x都不成立，即無解．如果介于中間的情況，有部分值滿足y>0這一條件．顯而易見的是，滿足條件的x的值介于一元二次方程ax2+bx+c=0的兩根之間，或小于較小的根、大于較大的根[16]．

至此，一元二次不等式與函數(shù)終于難舍難分，此后幾乎所有有關(guān)一元二次不等式的求解均會(huì)提到“函數(shù)圖象解法”．

Hart將函數(shù)解法稱為“不等式的圖象解法”，將求解的重點(diǎn)放于對函數(shù)圖象的觀察與解釋．他指出：一元不等式可以通過變形化為f(x)>0或f(x)<0的形式．對變形后的不等式的求解步驟為：(1)畫出函數(shù)f(x)的圖象；(2)使得f(x)圖象位于x軸上方的x的取值，即為滿足不等式f(x)>0的x的取值；使得f(x)圖象位于x軸下方的x的取值，即為滿足不等式f(x)<0的x的取值[17]．

4 一元二次不等式求解方法的演變

根據(jù)早期代數(shù)教科書中相關(guān)敘述，以20年為一單位，呈現(xiàn)了“一元二次不等式”求解方法的演進(jìn)過程(圖3)．

圖3 求解方法演進(jìn)過程

早期一元二次不等式的求解方式呈現(xiàn)出由單一走向多樣，最后回歸單一的趨勢．

20世紀(jì)前，人們單純將等式求解遷移到不等式，“配方法”是求解一元二次不等式的主流．20世紀(jì)初，“函數(shù)圖象法”出現(xiàn)，在后續(xù)的幾十年中迅速占據(jù)重要地位，究其原因，其一，分析理論的逐漸完善促進(jìn)了“函數(shù)思想”的發(fā)展；其二，20世紀(jì)初，F(xiàn).克萊因(F.C. Klein, 1849—1925)提出了“米蘭大綱”，發(fā)表自己對數(shù)學(xué)教育的看法，主張“函數(shù)是中學(xué)數(shù)學(xué)教育的基石”，加強(qiáng)函數(shù)思想的教學(xué)，使得函數(shù)在數(shù)學(xué)課程之中地位提高．

5 教學(xué)啟示

綜上所述，歷史上出現(xiàn)了一元二次不等式的多種求解方法，為今日不等式教學(xué)提供了諸多啟示．

其一，注重知識(shí)之間的普遍聯(lián)系．在早期教科書對于“一元二次不等式”的求解過程中，表現(xiàn)出對“方程思想”“函數(shù)思想”的運(yùn)用；某些教科書習(xí)題[18]中也將行列式的計(jì)算與不等式的求解聯(lián)系在一起，溝通不等式與其他數(shù)學(xué)知識(shí)．因此，在復(fù)習(xí)課中，可以基于“一元二次不等式”設(shè)計(jì)問題串，使用“1+X”教學(xué)模式，將不等式與方程、函數(shù)、解析幾何等知識(shí)聯(lián)系在一起，形成知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建知識(shí)之諧，展現(xiàn)方法之美．

其二，嘗試跨學(xué)科教學(xué)．跨學(xué)科學(xué)習(xí)可以幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)某一學(xué)科知識(shí)時(shí)，從促進(jìn)知識(shí)的理解起步，再到對知識(shí)或?qū)W科內(nèi)容的個(gè)性化建構(gòu)，然后能結(jié)合實(shí)際中的生活問題進(jìn)行創(chuàng)新或創(chuàng)造[19]．Rouse基于物理中的“上拋運(yùn)動(dòng)”[10]設(shè)計(jì)了“一元二次不等式”的相關(guān)問題，將其與物理、實(shí)際生活聯(lián)系在一起．在教學(xué)過程中，教師可以基于該知識(shí)設(shè)計(jì)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)，尋找生活中的“一元二次不等式”，溝通數(shù)學(xué)與現(xiàn)實(shí)，打破學(xué)科之間的壁壘，使數(shù)學(xué)真正地服務(wù)于生活，讓學(xué)生體會(huì)數(shù)學(xué)文化．

其三，通過技術(shù)實(shí)現(xiàn)由靜到動(dòng)的轉(zhuǎn)變．中國教育信息化已步入了融合創(chuàng)新、智能引領(lǐng)的新時(shí)代——教育信息化2.0 時(shí)代[20]．當(dāng)下需要實(shí)施能有效變革課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新教學(xué)模式[21]，發(fā)展與深入研究適合學(xué)科的信息技術(shù)，促進(jìn)學(xué)生的認(rèn)知與交流．高一學(xué)生對“函數(shù)”的認(rèn)識(shí)多停留于靜態(tài)，其與“不等式”的聯(lián)系重點(diǎn)是“動(dòng)態(tài)”的實(shí)現(xiàn)．因此，教師可通過幾何畫板的動(dòng)態(tài)展示，引導(dǎo)學(xué)生自主地將二次函數(shù)與方程、不等式的解聯(lián)系在一起，從具體的動(dòng)畫中抽象出數(shù)學(xué)概念，實(shí)現(xiàn)能力之助．

其四，比較方程與不等式的異同．學(xué)生由初中到高中，解不等式的過程中常常會(huì)“生搬硬套”，產(chǎn)生負(fù)遷移．早期教科書中所說的“像求解等式那樣求解不等式”[7]，或許也是造成某些錯(cuò)誤的一部分原因．現(xiàn)行教學(xué)中也多出現(xiàn)方程與等式對等的情況，這常常使得學(xué)生將等式(方程)求解過程直接遷移至不等式，因此在教學(xué)過程中，教師有必要強(qiáng)調(diào)方程與不等式的異同．