重視研究過程 探索數(shù)之規(guī)律

譚又英

數(shù)學(xué)是研究數(shù)量關(guān)系和空間形式的一門科學(xué)。本文以高中數(shù)學(xué)人教A版《必修五》第二章《數(shù)列》教學(xué)為例，探討如何更好地探索數(shù)的規(guī)律。

一、用數(shù)學(xué)眼光看問題，抽象數(shù)之“一般性”

數(shù)學(xué)的眼光就是要把現(xiàn)實世界中與數(shù)學(xué)有關(guān)的東西抽象到數(shù)學(xué)內(nèi)部，需要忽略事物一些表面的、特殊的、非本質(zhì)的性質(zhì)，通過細致地觀察，尋求規(guī)律，將其共性剝離出來，形成概念、判斷、推理等思維形式。

例如：已知數(shù)列[an]的前幾項，寫出下面數(shù)列的通項公式。

（1）[34]，[23]，[712]，[12]...

（2）0.3，0.33，0.333，0.3333...

出示題目后，教師說：“由數(shù)列的前幾項寫通項公式，關(guān)鍵是要找出每一項與其項數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，這就需要大家仔細觀察，從數(shù)的結(jié)構(gòu)、形式、變化趨勢等方面將共同規(guī)律抽象出來?！币幻麑W(xué)生說：“（1）中前兩個數(shù)的分子和分母都減少‘1，但是第三、第四項不是這個規(guī)律?！绷硪幻麑W(xué)生說：“整個分數(shù)值是越來越小的，如果將第四項寫成[612]，那就是在第三項的基礎(chǔ)上分子減少‘1，我認為可以將四個數(shù)通分之后再作比較?！?/p>

教師將學(xué)生提出的思路板書如下：

項數(shù)[n]：1????? 2?????? 3????? 4

↓???? ↓????? ↓???? ↓

項[an]： [912]??? [812]???? [712]??? [612]

板書后，學(xué)生馬上發(fā)現(xiàn)規(guī)律：每一項的分子與對應(yīng)項數(shù)之和為10，通項公式為[an]=[10-n12]。

接著，教師出示第二道例題：某地區(qū)為防洪抗旱大面積植樹造林， 如下圖， 在區(qū)域[（x，y）x≥0，y≥0]內(nèi)植樹，第1棵樹在點[A1]（0，1），第2棵樹在點[B1]（1，1），第3棵樹在點[C1]（1，0），第4棵樹在點[C2]（2，0），按照圖中箭頭方向，每隔一個單位長度種一棵樹，第2020棵樹所在的點的坐標是???????? 。

在完成等差數(shù)列的前[n]項和的學(xué)習(xí)之后，教師提出上面的問題讓學(xué)生解決。一部分學(xué)生很快計算出正確結(jié)果，還有部分學(xué)生完全沒有頭緒。教師請已經(jīng)完成的學(xué)生講解自己的思路，一名學(xué)生說：“按照樹的種植位置的規(guī)律，可以放在一個個“正方形”中來考慮，第一個正方形上有三棵樹，第二個正方形上有5棵樹，第三個正方形上有7棵樹……以此類推，根據(jù)等差數(shù)列前[n]項和公式，找出和最靠近2020的[n]值，確定這棵樹的位置，然后寫坐標?！苯處熆隙嗽搶W(xué)生的觀點：“根據(jù)樹的種植位置找規(guī)律，很容易結(jié)合等差數(shù)列進行求解，我們一起嘗試計算。”

第1個正方形? 第2個正方形? 第3個正方形? 第[n]個正方形

↓??????? ↓??????? ↓????????? ↓

3棵樹??????? 5棵樹?????? 7棵樹??????? 2[n]+1棵樹

前[n]個正方形共種植樹的棵數(shù)為3+5+7+……+（[2n]+1）=[n（3+2n+1）2]=[n（n+2）]，而44×46=2024，可知前44個正方形共種植樹木2024棵。由種植方向得出第2024棵樹在[y]軸上，其點的坐標為（0，44），往回數(shù)四個點，即第2020棵樹的坐標為（4，44）。

教師繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生思考：“根據(jù)前面的探究我們發(fā)現(xiàn)，樹在種植排列時很有規(guī)律，我們要寫出某棵樹所在點的坐標，往往會借助坐標軸上的點變動得到。大家觀察落在坐標軸上‘樹的棵數(shù)與其所在點的坐標關(guān)系，能否發(fā)現(xiàn)什么？”學(xué)生很快發(fā)現(xiàn)這樣的規(guī)律：第4、16、36棵樹在[x]軸上，它們的坐標分別為（2，0），（4，0），（6，0）;第1、9、25棵樹在[y]軸上，坐標分別為（0，1），（0，3），（0，5）。由[452=2025]類推可知，第2025棵樹在[y]軸上，其坐標為（0，45），往回數(shù)五個點，即第2020棵樹的坐標為（4，44）。

二、用數(shù)學(xué)思維想問題，推理數(shù)之“嚴謹性”

“邏輯推理”是得到數(shù)學(xué)結(jié)論、構(gòu)建數(shù)學(xué)體系的重要方法，是數(shù)學(xué)嚴謹性的基本保證。教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生從概念、公理、定理出發(fā)，通過嚴謹?shù)耐茖?dǎo)，方可獲得正確的結(jié)論。

例如：已知數(shù)列[an]的前[n]項和為[Sn]，若[a1]=1，[an+1]=[13Sn]，求[an]。這是數(shù)列中的高頻考點，考查[Sn]與[an]的關(guān)系，[an=S1，n=1Sn-Sn-1]，[n≥2]。學(xué)生對這一類題目的解法很熟悉，可以順利解答。

當[n=1]時，[a2=13a1=13]

當[n≥2]時，由[an+1=13Snan=13Sn-1]作差可得[an+1]-[an]=[13an]，即[an+1]=[43an]。

而看到[an+1]=[43an]時，學(xué)生就顧不上多想了，立即判定[an]是以[43]為公比的等比數(shù)列，然后求出其通項公式。這樣不嚴謹?shù)慕Y(jié)論會得出錯誤答案，解題中學(xué)生忽略了非常重要的一點，[Sn]與[an]的關(guān)系在運用時原本就是分類處理，所以[an+1]=[43an]的關(guān)系只能適用于[n≥2]時，還需要補充考慮[n=1]時，[a2]與[a1]的關(guān)系。由[a2=13a1=13]可知，數(shù)列[an]的第二項與第一項并不滿足比值為[43]，由等比數(shù)列的定義，就不能下結(jié)論說[an]是以[43]為公比的等比數(shù)列。接上述過程，正確規(guī)范的后部分解答應(yīng)該是這樣的：

當[n≥2]時，[an+1]=[43an];且[a2=13a1=13]不滿足上式;故[n≥2]時，[an=13·43n-2];

綜上[an=1，n=113·43n-2，n≥2。]

三、用數(shù)學(xué)語言答問題，建模數(shù)之“廣泛性”

數(shù)學(xué)的語言就是模型，在構(gòu)建模型的過程中，往往需要從錯綜復(fù)雜的現(xiàn)實背景中抽象出本質(zhì)的關(guān)系，并用數(shù)學(xué)符號和數(shù)學(xué)語言表達。

對于第一道例題中（2）的數(shù)字，學(xué)生很容易發(fā)現(xiàn)它們的規(guī)律——依次在小數(shù)點后多添加一個“3”。但是，如何通過一個式子正確表達第[n]項[an]與項數(shù)[n]之間的對應(yīng)關(guān)系，寫出數(shù)列的通項公式呢？教師可以適時引導(dǎo)學(xué)生對問題進行轉(zhuǎn)化，逐層遞進，讓他們親身經(jīng)歷探究過程，體驗解決問題的成就感。

轉(zhuǎn)化一（小數(shù)化整）：3，33，333，3333...

轉(zhuǎn)化二（簡化倍數(shù)）：1，11，111，1111...

轉(zhuǎn)化三（體現(xiàn)位數(shù)變化）：1，10，100，1000...

轉(zhuǎn)化四（相關(guān)數(shù)的表示）：9，99，999，9999...

在整個探究過程中，無論是整數(shù)還是小數(shù)，依次添加一個數(shù)字的變化本質(zhì)是“數(shù)位的變化”，只要掌握了“轉(zhuǎn)化三”中數(shù)列通項公式的寫法，再進行倍數(shù)及和差等運算，這一類題目就迎刃而解。由1=[100]、10=[101]、100=[102]、1000=[103]可知“轉(zhuǎn)化三”中數(shù)列的通項公式為[an]=[10n-1]。于是可得：

轉(zhuǎn)化四：[an]=[10n-1]

轉(zhuǎn)化二：[an]=[19（][10n-1]）

轉(zhuǎn)化一：[an]=[39（][10n-1]）

所以，數(shù)列0.3，0.33，0.333，0.3333……的通項公式為[an]=[39（][1-][10-n]）。

（作者單位：洪湖市文泉中學(xué)）

責(zé)任編輯? 張敏