APP下载

精选习题才能达成解题目的

2021-05-20祝峰

中学数学杂志(高中版) 2021年1期
关键词:极值零点习题

【摘 要】 教、学、测中,习题选择做到“准”“精”“简”,才能有效达成巩固“四基”、提升“四能”、查缺补漏、发展素养的解题目的.“准”即试题应正确,知识及能力考查目标明确,能切中学生认知方面的薄弱点;“精”即习题应与核心概念与性质相关,能反映数学基本思想方法,不纠缠于枝节末梢;言简意赅,流畅、易懂、具有启发性谓之“简”.

关键词:精选习题;解题目的

使学生进一步理解和掌握数学基础知识,培养和发展学生的基本技能和思维能力,及时发现和弥补教和学中的遗漏和不足,培养学生良好的学习习惯和品质,是解题练习的基本目的.是否所有试题的解答训练及教学都能较好地达成上述目的?章建跃博士曾建言,须建立在“解好题”的基础上.并总结出“好题”应具有以下“品质”:与重要的数学概念和数学性质相关,体现基础知识的联系性,解题方法自然、多样,具有自我生长能力等;从培养思维能力的角度,则应有:问题是自然的,对学生的智力有适度的挑战性,题意明确,不纠缠于细枝末节,表述形式简洁、流畅、好懂等[1].这就要求我们在教、学和测试中,习题的遴选应慎之又慎,唯有选出“好题”,才能事半功倍地有效达成解题训练的目的.

我校高三二轮复习近日的模拟测试中,一道试题的学生解答、课堂点评、同事讨论、网络搜索和求助结果,诱发笔者对解题目的达成与“好题”之间关联性的思考.

1 试题及参考答案呈现

(2019 珠海二模)若函数f(x)=ex(x-3)-13kx3+kx2只有一个极值点,则k的取值范围为().

A. (-∞,e)B. [0,e]C. (-∞,-2)D. (0,2]

命题者提供的参考答案过程如下:

解 f′(x)=ex(x-2)-kx2+2kx=(x-2)(ex-kx),若函数f(x)只有一个极值点,则f′(x)=0只有一个实数解.所以ex-kx≥0,即ex≥kx,令u(x)=ex、h(x)=kx,同一坐标系中分别作出它们的图象,如图1所示,当两函数图象相切时k=e,此时k的值最大.注意到,k<0时,不成立,故k的取值范围是[0,e],选B.

作业帮、小猿搜题、数学群组求助以及网页搜索到的本题解答方法也基本如上述过程.

从试题和参考答案,我们尝试对命题者的初衷及考查目的作如下分析.极值点概念、导数的几何意义、极值点求解、零点存在性定理,是试题考查的基本概念及原理;信息提取和转化、逻辑推理、导数求解、函数图象切线的求解、函数零点(方程根)的判断、利用导数求解函数极值点等,是试题求解所需程序性技能;上述知识和技能中所蕴含的转化与化归、函数与方程、数形结合、分类讨论是试题考查的基本数学思想.

更为重要的是,在知识考查、技能训练、思想升华的过程中,通过上述试题的解答训练使学生逐步学会“更清晰、更深入、更全面、更合理地进行思考[2]”,努力提升学生思维的整体性与灵活性、自觉性与创造性.

2 學生应试时的解法与命题人初衷契合度分析

此题测试后,学生得分率并不低,选择题无法获知学生的思维过程和解决方法,通过和部分学生交流后,发现他们的解法如下:

解 注意到,四个选项中,e是特殊值.令k=e,则f(x)=ex(x-3)-13ex3+ex2,所以f′(x)=(x-2)(ex-ex).如图1所示,注意到ex-ex≥0,故x∈(-∞,2)时,f′(x)≤0;x∈(2,+∞)时,f′(x)>0.所以当k=e时,函数f(x)只有一个极小值点2,即k=e符合条件,四个选项中只有B中含有e,所以选B.

结合选择题的特点,在四个选择支中确定一个特殊值,代入已知函数,检验是否符合题设条件,避开含参数函数性质的讨论.作为一种特殊技巧,应试过程中合理应用,能够快速、正确解答本题,获得分数,此法无可厚非.

学生解法能否达到命题者的对学生考查和训练的目的?在解题过程中,零点存在性定理、导函数的零点与原函数极值之间的本质联系、分类讨论、转化与化归等数学思想并未涉及.试题没有达到对重要概念、原理的本质及其蕴含思维方法的有效考查和训练.

3 对试题及参考答案的质疑

疑点1 转化的等价性

①函数f(x)=ex(x-3)-13kx3+kx2只有一个极值点与f′(x)=(x-2)(ex-kx)只有一个零点等价吗?

② 函数f(x)只有一个极值点,一定是2吗?

③ f′(x)=(x-2)(ex-kx)只有一个零点与ex-kx≥0是否等价?

④ 两函数图象相切时,k=e,f′(x)=(x-2)(ex-kx)有两个零点,函数f(x)为什么只有一个极值点?答案没有解释.(学生的求解从几何直观角度回答了这个问题)

疑点2 [0,e]之外的值

① 当k<0时为什么不符合条件?显然吗?此时函数f(x)有极值点吗?有几个?

② 当k>e时,比如,k=e22时,f′(x)=(x-2)ex-e22x,2也是方程ex-e22x=0的根.函数f(x)=ex(x-3)-13kx3+kx2此时只有一个极值点吗?如果只有一个极值点,还是2吗?疑点3 几何直观与演绎推理

赋予抽象的数学问题以几何直观,获得数学结论,提供解题思路,是数学问题解决的基本思维方法.但是,用几何直观代替严密的演绎推理行得通吗?4 对试题正确性的推敲

函数f(x)是定义域上的可导函数,所以“函数f(x)=ex(x-3)-13kx3+kx2只有一个极值点”等价于“f′(x)=(x-2)(ex-kx)存在唯一异号零点.”(即零点两侧f′(x)符号相反)设函数h(x)=ex-kx,作如下讨论.

(1)h(x)=ex-kx无零点

若h(x)无零点,则有h(x)>0或h(x)<0恒成立.注意到h(0)=1>0,所以h(x)<0恒成立不可能.对于h(x)>0恒成立,可按以下方法求k的取值范围.方法1 分类讨论、参变分离

当x>0时,ex-kx>0转化为k

当x=0时,k∈R,均有ex-kx>0恒成立;

当x<0时,ex-kx>0转化为k>exx.注意到此时exx<0,所以k≥0.

综上所述,当k∈[0,e)时,不等式ex-kx>0恒成立.方法2 参变混合、分类讨论

h(x)>0恒成立,等价于h(x)min>0,h′(x)=ex-k.

当k<0时,h′(x)>0,即h(x)为增函数,且x→-∞时,h(x)→-∞,h(x)不存在最小值,所以k<0时不符合条件;

当k=0时,h(x)=ex>0恒成立,符合条件;

当k>0时,h′(x)=ex-k存在唯一零点lnk,x∈(-∞,lnk)时,h′(x)<0,h(x)为减函数,x∈(lnk,+∞)时,h′(x)>0,h(x)为增函数,所以h(x)min=h(lnk)=k-klnk,h(x)min>0,得k

综上,k∈[0,e)时,不等式ex-kx>0恒成立.

(2)h(x)=ex-kx有零点图2

若h(x)=ex-kx存在零点,即k∈(-∞,0)∪[e,+∞).

情形1 若k<0时,h′(x)>0,h(x)=ex-kx单调递增.h(0)=1>0,且x→-∞时,h(x)→-∞,所以h(x)存在唯一负零点x0.f′(x)的简图如图2.此时函数f(x)有两个极值点,x0是极大值点,2是极小值点.

情形2 当k=e时,h(x)=ex-ex,h′(x)=ex-e.所以h(x)在(-∞,1)递减,(1,+∞)递增,即h(x)≥h(1)=0,f′(x)的简图如图3,f′(x)有两个零点,但零点1的两侧,导函数值符号相同,所以其不是极值点,故k=e时,f(x)只有一个极值点.

情形3 当k>e时,h′(x)=ex-k,所以h(x)在(-∞,lnk)递减,在(lnk,+∞)递增,其中lnk>1.

注意到h(lnk)=k(1-lnk)<0,h(0)=1>0,所以h(x)在区间(0,lnk)上存在唯一零点,设为x1.

又h(2lnk)=e2lnk-2klnk=k(k-2lnk).令φ(x)=x-2lnx(x>e),则φ′(x)=1-2x>0,所以φ(x)在(e,+∞)为增函数,则有φ(x)>φ(e)=e-2>0,故h(2lnk)=k(k-2lnk)>0.所以区间(lnk,2lnk)上,h(x)有唯一零点,设为x2.

综上h(x)存在两个零点x1、x2,满足0

① 若x2=2时,即e2-2k=0,k=e22,f′(x)简图见图4.

此时,f′(x)有两个零点,但x2=2的两侧,f′(x)符号相同,所以其不是f(x)的极值点,函数f(x)只有一个极小值点x1.

② 若x2≠2时,即k∈e,e22∪e22,+∞,h(x)有两个零点.当k∈e,e22时,有x2<2,见图5,此时f(x)有两个极小值点,分别是x1、2,一个极大值点为x2;当k∈e22,+∞时,有x2>2,见图6,此时f(x)有两个极小值点,分别是x1、x2,一个极大值点为2.

综上,若f(x)=ex(x-3)-13kx3+kx2只有一个极值点,k∈[0,e]∪e22,四个选项均不符合条件.所以,本题是一道错误的考题.

5 准选、精考、简述

试题考查的基本原理有两个.一是对可导函数而言,其导函数的异号零点是原函数的极值点,左正右负为极大值点,左负右正为极小值点.二是函数零点存在性定理,该定理只能判断函数零点的存在性,结合函数单调性可对函数零点个数作严密的讨论.函数零点问题与方程根问题等价,除了存在性定理外,也可从两相关函数图象交点的视角认识,获得结论,提供解题思路,但无法替代存在性定理与单调性结合的严密推理过程.函数f(x)=ex(x-3)-13kx3+kx2极值点个数即f′(x)=(x-2)(ex-kx)异号零点的个数,2显然是一个零点,问题集中于函数h(x)=ex-kx零点的个数和特征的研究上.

在对问题本质准确认识的基础上,遵循“准”选、“精”考、“简”述原则,我们尝试对试题作以下调整.

(1)函数f(x)=ex(x-3)-13kx3+kx2极值点的个数可能为().

A. 0个B. 1个 C. 2个 D. 3个

注评 考查极值点的概念、函数零点概念、函数极值点与导函数零点的关系.结合选择支的特征,借助ex与kx图象关系,能直观地判断极值点的个数,避开了复杂的讨论和运算等枝节,集中考查极值点的概念,特别是可导函数极值点与导函数零點之间的关系.

(2)若函数f(x)=ex(x-3)-13kx3+kx2只有一个极值点,则k的取值范围为().

A. (0,e) B. [0,e]C. (0,e)∪e22 D. [0,e]∪e22

注评 对知识、技能、思想考查目的和原题一致,基于试题正确性作上述调整.但对学生求解方法的期望,并非命题者提供参考答案那样.保留原试题设置形式,是期望学生能结合选择支特征,对k=e和k=e22两个特殊值验证的基础之上,选出正确答案.这种设置对学生的能力要求较题⑴而言要高,仅由几何直观无法解决问题,需作必要的逻辑推理才能判断.

(3)已知函数f(x)=ex(x-3)-13kx3+kx2,f′(x)表示函数f(x)的导数.

① 若函数y=f′(x)有两个零点,求k的取值范围;

② 讨论函数f(x)极值点的个数.

注评 函数f(x)极值点情况的综合讨论,对核心概念及其蕴含技能、思想要求更高.以具体问题载体,考查学生转化与化归、函数与方程、数形结合、分类讨论等数学思想.以解答题形式呈现,能够展现学生问题求解的思维过程,准确观察学生是否会用数学眼光观察、会用数学的思维思考、会用数学的语言表述具体问题[3].

按所考查的知识量从少到多、联系性从單线到交叉;程序性技能要求从低级到高级;贯穿着对蕴含在知识中的思维方法、学科一般观念、数学思想的考查和训练,旨在超越具体的数学问题,发展学生思维的灵活性、自觉性、联系性、严密性、整体性.

6 结语

“讲了n遍,考试还是错”的现象司空见惯,导致这种现象的因素主要有:教师对习题和学生理解不到位,导致命题、选题、讲题不准,习题没有围绕核心概念及其蕴含的技能和思想展开,没有真正抓住学生的问题所在,或者习题本身就是错的;由此连带的问题则是不“精”,让学生在知识外围反复训练,耗费学生大量的时间和精力,却达不到对知识的真正理解、对思维的有效训练、对能力切实提升的目的;所谓不“简”,就是在细枝末节上下功夫,把简单问题复杂化.

命题、选题、讲题是教师日常教学工作的重要组成部分.在习题的命制、改编、选择和教学过程中,达成掌握“四基”、发展“四能”、查缺补漏、培养学生良好的学习习惯、提升思维品质的解题目的,遵循“准”、“精”、“简”的原则是有效之举.

参考文献

[1] 章建跃.让学生解好题[J].中小学数学(高中版),2012(12):封底.

[2] 郑毓信.“数学深度教学”的理论与实践[J].数学教育学报,2019,28(05):2432.

[3] 史宁中,林玉慈等.关于高中数学教育中的数学核心素养——史宁中教授访谈之七[J].课程·教材·教法,2017,37(04):814.

作者简介 祝峰(1974—),男,安徽濉溪人,中学高级教师,研究方向:高中数学课堂教学.

猜你喜欢

极值零点习题
函数零点、不等式恒成立
例析函数零点问题的解法
通过函数构造解决极值点偏移问题
例谈解答极值点偏移问题的方法
极值点偏移问题的解法
一道课本习题“链式反应”
精心设计习题 构建高效课堂
对一道习题的多角度思考与拓展
关于一道习题解的讨论
也谈谈极值点偏移问题