摘 要:2024年高考數(shù)學(xué)新課標(biāo)I卷的新定義型壓軸題,從某種意義上說,是對自主命題省市多年來命題探索的一種肯定和借鑒。新定義型壓軸題的核心是新定義。提煉新定義的方式主要有:“改造”中學(xué)數(shù)學(xué)知識結(jié)構(gòu)中的相關(guān)概念(或方法);將數(shù)學(xué)發(fā)展史或高等數(shù)學(xué)分支中的經(jīng)典結(jié)論初等化。引入新定義的主要方式有生成、約束和關(guān)聯(lián)。新定義型壓軸題設(shè)問的基本原則是層層遞進(jìn)、逐步深入。因此,通常設(shè)置3個小題,分別“解釋定義”“挖掘性質(zhì)”“探究未知”。
關(guān)鍵詞:數(shù)學(xué)高考;試題命制;新定義;壓軸題;數(shù)列
一、引言:新定義型壓軸題的內(nèi)涵和意義
2024年高考數(shù)學(xué)新課標(biāo)I卷在壓軸題(第19題)中引入新定義,引導(dǎo)學(xué)生“多想少算”。此題引發(fā)廣泛熱議。所謂“新定義型”題,指在命題中定義新概念(對象)、新運(yùn)算(規(guī)則)、新變換(關(guān)系)、新性質(zhì)(方法)等,要求學(xué)生閱讀理解新定義,分析解決新問題的一類題目。新定義型壓軸題通常通過創(chuàng)設(shè)新穎的試題情境、條件內(nèi)容和設(shè)問方式進(jìn)行命題創(chuàng)新,強(qiáng)調(diào)思維的深刻性、靈活性和創(chuàng)造性。
這類試題具有很好的檢測功能,具體地表現(xiàn)在四個方面:通過新定義,創(chuàng)設(shè)數(shù)學(xué)語境和話語體系;通過新情境,搭建試題框架,創(chuàng)設(shè)解題條件;通過新設(shè)問,設(shè)置思維梯度,逐步深入,準(zhǔn)確區(qū)分不同層次的學(xué)生;通過解題過程,展現(xiàn)探究(思維)過程,實現(xiàn)對分析、推理、判斷、論述等關(guān)鍵能力的考查。[1]比如上述壓軸題,就以等差數(shù)列為背景,以(i,j)-可分?jǐn)?shù)列的新定義為中介,通過層層遞進(jìn)的設(shè)問考查學(xué)生的思維能力:
設(shè)m為正整數(shù),數(shù)列a1,a2,…,a4m+2是公差不為0的等差數(shù)列,若從中刪去兩項ai和aj(i<j)后剩余的4m項可被平均分成m組,每組的4個數(shù)都能構(gòu)成等差數(shù)列,則稱數(shù)列a1,a2,…,a4m+2是(i,j)-可分?jǐn)?shù)列。
(1)寫出所有的(i,j),1≤i<j≤6,使得數(shù)列a1,a2,…,a6是(i,j)-可分?jǐn)?shù)列;
(2)當(dāng)m≥3時,證明:數(shù)列a1,a2,…,a4m+2是(2,13)-可分?jǐn)?shù)列;
(3)從1,2,…,4m+2中一次任取兩個數(shù)i和j(i<j),記數(shù)列a1,a2,…,a4m+2是(i,j)-可分?jǐn)?shù)列的概率為Pm,證明:Pm>18。
新定義型題,一方面,鼓勵學(xué)生從不同的角度認(rèn)識問題,深入考查思維能力,具有良好的人才選拔功能;另一方面,創(chuàng)新情境、形式,著力于“反套路、反刷題”,能引導(dǎo)中學(xué)教學(xué)重視培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。[2]正因為此,除了全國范圍的新課標(biāo)卷之外,自主命題的北京卷和上海卷都不約而同地在壓軸題中引入新定義。比如,2024年北京卷壓軸題的新定義也跟數(shù)列有關(guān):
設(shè)集合M={(i,j,s,t)|i∈{1,2},j∈{3,4},s∈{5,6},t∈{7,8},i+j+s+t為偶數(shù)}。對于給定的有窮數(shù)列A:a1,a2,…,a8和序列Ω:ω1,ω2,…,ωm,其中ωk=(ik,jk,sk,tk)∈M,k=1,2,…,m,定義變換T:將數(shù)列A的第i1,j1,s1,t1項均加1,其余項均不變,得到數(shù)列T1(A);將數(shù)列T1(A)的第i2,j2,s2,t2項均加1,其余項均不變,得到數(shù)列T2T1(A)……重復(fù)上述操作,得到數(shù)列TmTm-1…T2T1(A),記為Ω(A)。
其實,新定義型壓軸題并非新生事物,自主命題的北京卷從2006年開始就在壓軸題中引入新定義,自主命題的上海卷和曾經(jīng)自主命題的江蘇卷也都有類似的命題風(fēng)格。不同于北京卷壓軸題和江蘇卷壓軸題基本上都是數(shù)列問題,上海卷壓軸題則是數(shù)列和函數(shù)交替出場。2024年新課標(biāo)I卷的新定義型壓軸題,從某種意義上說,是對自主命題省市多年來命題探索的一種肯定和借鑒。
新定義型壓軸題的核心是新定義,如何提煉和引入新定義?提煉和引入新定義后,如何通過層層遞進(jìn)的設(shè)問為學(xué)生搭建思維的平臺?本文試圖通過分析北京卷和上海卷中的數(shù)列新定義型壓軸題,歸納新定義提煉和引入的方式;再以一道原創(chuàng)的數(shù)列新定義型壓軸題為例,初探新定義型壓軸題的設(shè)問方式。
二、新定義提煉和引入的方式
結(jié)合《普通高中數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》附錄中的案例23(“距離問題”)和2024年高考數(shù)學(xué)新課標(biāo)I卷第19題(以下簡稱“可分?jǐn)?shù)列”問題)不難看出,新定義的提煉和引入具有鮮明的特征:
第一,基于數(shù)學(xué)課程的核心內(nèi)容提煉新定義。例如,“可分?jǐn)?shù)列”問題立足于高中數(shù)學(xué)核心知識(數(shù)列),在傳統(tǒng)知識(等差數(shù)列)的基礎(chǔ)上創(chuàng)新(新定義、新設(shè)問)。此外,考慮到數(shù)列內(nèi)容在高中數(shù)學(xué)課程內(nèi)容中的占比(以課時數(shù)計,約為6%)不足以支撐起這道壓軸題在整個試卷中的占比(以分值計,約為11%),在命題設(shè)計中結(jié)合概率內(nèi)容來考查:通過新情境搭建試題框架,實現(xiàn)等差數(shù)列和隨機(jī)事件概率的有機(jī)結(jié)合。
第二,基于數(shù)學(xué)問題表述的準(zhǔn)確性和簡潔性需求引入新定義。新定義型壓軸題重在考查學(xué)生的思維水平,過于繁雜的問題陳述會大大增加閱讀的時間,相應(yīng)地壓縮思維的時間,不利于考查目標(biāo)的實現(xiàn)。因此,使表達(dá)嚴(yán)謹(jǐn)明確、簡潔明了,避免重復(fù)相同(或類似)的信息,是引入新定義的主要目的。顯然,“可分?jǐn)?shù)列”這個新定義的引入就符合準(zhǔn)確、簡潔的特征。需要指出的是,倘若題目表述并不由于信息重復(fù)而增加篇幅,那就沒有必要引入新定義。對比2018年高考數(shù)學(xué)江蘇卷和上海卷的壓軸題在表述上的異同(直接敘述和引入新定義都可以表達(dá)條件“|bn-an|≤1”),可以體會何時需要引入新定義:
(2018年高考數(shù)學(xué)江蘇卷第20題)設(shè){an}是首項為a1、公差為d的等差數(shù)列,{bn}是首項為b1、公比為q的等比數(shù)列。
(1)設(shè)a1=0,b1=1,q=2,若|an-bn|≤b1對n=1,2,3,4均成立,求d的取值范圍;
(2)若a1=b1>0,m∈N*,q∈(1,m2],證明“存在d∈R,使得|an-bn|≤b1對n=2,3,…,m+1均成立”,并求d的取值范圍(用b1,m,q表示);
(2018年高考數(shù)學(xué)上海卷第21題)給定無窮數(shù)列{an},若無窮數(shù)列{bn}滿足:對任意n∈N*,都有|bn-an|≤1,則稱{bn}與{an}“接近”。
(1)設(shè){an}是首項為1、公比為12的等比數(shù)列,bn=an+1+1,n∈N*,判斷數(shù)列{bn}是否與{an}接近,并說明理由;
(2)設(shè)數(shù)列{an}的前四項a1=1,a2=2,a3=4,a4=8,{bn}是一個與{an}接近的數(shù)列,記集合M={x|x=bi,i=1,2,3,4},求M中元素的個數(shù)m;
(3)已知{an}是公差為d的等差數(shù)列,若存在數(shù)列{bn}滿足:{bn}與{an}接近,且在b2-b1,b3-b2,…,b201-b200中至少有100個為正數(shù),求d的取值范圍。
我們系統(tǒng)梳理了近年高考數(shù)學(xué)北京卷和上海卷(含春考)的數(shù)列新定義型壓軸題,包括北京卷2006—2019年理科第20題、2020—2024年第21題,上海卷2016年理科第23題、2017—2023年第21題(下文舉例時不再標(biāo)明題號),希望從中發(fā)現(xiàn)新定義提煉和引入的相關(guān)規(guī)律。需要說明的是,有些題目沒有引入新概念或新符號,而是以文字介紹的形式引入新數(shù)列,它們正是上述“沒有必要引入新定義”的新定義型壓軸題,仍在我們的研究范圍內(nèi)。
(一)新定義提煉的方式
分析相關(guān)高考題,可以發(fā)現(xiàn),常見的問題設(shè)計是,將等差(比)數(shù)列的遞推關(guān)系、通項表示、求和方法等類比到新數(shù)列中;在看似“無序”的新數(shù)列中尋找某種“有序”的特征(如單調(diào)性、不變量、一一對應(yīng)等)。相應(yīng)地,提煉新定義的方式主要有兩類:
一是“改造”中學(xué)數(shù)列知識結(jié)構(gòu)中的相關(guān)概念(或方法)。根據(jù)等差(比)數(shù)列的概念,修改關(guān)系、運(yùn)算等信息,可以“改造”出各種新數(shù)列。
比如,對等差數(shù)列,將定義中的關(guān)系“差相等”改為“差不等”,可以定義“增差數(shù)列”:
若對任意n∈N*,都有an+1-an<an+2-an+1,則稱數(shù)列{an}是增差數(shù)列。
將定義中的運(yùn)算“差”改為“差的絕對值”,可以定義“E數(shù)列”:
(2011年北京卷)若數(shù)列An:a1,a2,…,an(n≥2)滿足|ak+1-ak|=1(k=1,2,…,n-1),則稱An為E數(shù)列。
對“等差中項”概念加以“改造”,還可以引入下面的新數(shù)列:
(2021年上海春考卷)已知數(shù)列{an}滿足an≥0(n∈N*),對任意n≥2,項an和an+1中存在一項為另一項與an-1的等差中項。
(2022年上海卷)在無窮數(shù)列{an}中,a1=1,a2=3,對任意正整數(shù)n(n≥2),都存在正整數(shù)i(1≤i≤n-1),使得an+1=2an-ai。
二是將數(shù)學(xué)發(fā)展史或高等數(shù)學(xué)分支中的經(jīng)典結(jié)論初等化。為了避免給教學(xué)帶來不良引導(dǎo),這些經(jīng)典結(jié)論要么是眾所周知而無須專門學(xué)習(xí)的數(shù)學(xué)史知識,要么是無法在中學(xué)階段提前習(xí)得的高等數(shù)學(xué)細(xì)分領(lǐng)域知識。
下面的“絕對差數(shù)列”源于數(shù)學(xué)史上求兩個正整數(shù)最大公約數(shù)的“更相減損術(shù)”(類似于“輾轉(zhuǎn)相除法”),而數(shù)列的“G時刻”源于動力系統(tǒng)雙曲性研究中的常用工具Pliss定理。
(2006年北京卷)在數(shù)列{an}中,若a1、a2是正整數(shù),且an=|an-1-an-2|,n=3,4,5,…,則稱{an}為“絕對差數(shù)列”。
(2016年北京卷)設(shè)數(shù)列A:a1,a2,…,aN(N≥2)。如果對小于n(2≤n≤N)的每個正整數(shù)k都有ak<an,則稱n是數(shù)列A的一個“G時刻”。記G(A)是數(shù)列A的所有“G時刻”組成的集合。
以下高考題中的新數(shù)列則是通過類似于求函數(shù)零點近似值的牛頓切線法構(gòu)造而來的(考生是否了解牛頓切線法這一背景對理解題意并無實質(zhì)影響):
(2023年上海卷)設(shè)f(x)=ln x,函數(shù)y=f(x)的圖像為Γ。進(jìn)行以下操作:在Γ上取點A1(a1,f(a1)),以A1為切點作Γ的切線,交y軸于點(0,a2)。若a2>0,則在Γ上取點A2(a2,f(a2)),以A2為切點作Γ的切線,交y軸于點(0,a3)。若a3>0,則再進(jìn)行同樣的操作……一旦an≤0(n≥2),則終止這一操作,由此得到數(shù)列{an}。
值得一提的是,大部分具有深刻背景的新定義型壓軸題,經(jīng)過命題人的改造或初等化,成題表述緊緊圍繞中學(xué)數(shù)學(xué)核心知識和思想方法,其他人很難窺探其來源了,對考生而言真正做到了背景公平。
(二)新定義引入的方式
分析相關(guān)高考題,也不難發(fā)現(xiàn),引入數(shù)列新定義的主要方式有生成、約束和關(guān)聯(lián)等三種。
所謂“生成”新數(shù)列,是指由一個具體的數(shù)列產(chǎn)生新數(shù)列,可以產(chǎn)生子數(shù)列,也可以通過變換的方式產(chǎn)生新數(shù)列。除了前述2024年北京卷壓軸題,再如:
(2019年北京卷)已知數(shù)列{an},從中選取第i1項、第i2項……第im項(i1<i2<…<im),若ai1<ai2<…<aim,則稱新數(shù)列ai1,ai2,…,aim為{an}的長度為m的遞增子列。
(2008年北京卷)對于每項均是正整數(shù)的數(shù)列A:a1,a2,…,an,定義變換T1,T1將數(shù)列A變換成數(shù)列T1(A):n,a1-1,a2-1,…,an-1。對于每項均是非負(fù)整數(shù)的數(shù)列B:b1,b2,…,bm,定義變換T2,T2將數(shù)列B各項從大到小排列,然后去掉所有為零的項,得到數(shù)列T2(B);又定義S(B)=2(b1+2b2+…+mbm)+b21+b22+…+b2m。設(shè)A0是每項均為正整數(shù)的有窮數(shù)列,令A(yù)k+1=T2(T1(Ak))(k=0,1,2,…)。
所謂“約束”新數(shù)列,是針對單個數(shù)列,約定其具有某種特殊性質(zhì)。除了前述2024年新課標(biāo)Ⅰ卷壓軸題,再如:
(2021年北京卷)設(shè)p為實數(shù),若無窮數(shù)列{an}同時滿足如下三個性質(zhì),則稱{an}為Rp數(shù)列:① a1+p≥0且a2+p=0;② a4n-1<a4n(n∈N*);③ am+n∈{am+an+p,am+an+p+1}(m、n∈N*)。
(2022年北京卷)已知Q:a1,a2,…,ak為有窮整數(shù)數(shù)列。給定正整數(shù)m,若對任意的n∈{1,2,…,m},Q中存在ai,ai+1,ai+2,…,ai+j(j≥0),使得ai+ai+1+ai+2+…+ai+j=n,則稱Q為m-連續(xù)可表數(shù)列。
從上述幾道北京卷壓軸題不難發(fā)現(xiàn),為了命題能夠推陳出新,新定義的數(shù)列所具有的性質(zhì)越來越復(fù)雜,對思維水平的要求自然水漲船高了。
通過約束性質(zhì)給出新數(shù)列時,為了行文方便,可以統(tǒng)稱該數(shù)列具有“性質(zhì)P”。例如:
(2016年上海卷)若無窮數(shù)列{an}滿足:只要ap=aq(p、q∈N*),必有ap+1=aq+1,則稱{an}具有性質(zhì)P。
(2019年上海卷)數(shù)列{an}有100項,a1=a,對任意n∈{2,3,…,n},存在i∈{1,2,…,n-1},使得an=ai+d。若ak與前k-1項中某一項相等(k∈{2,3,…,100}),則稱ak具有性質(zhì)P。
(2020年上海卷)已知m∈N*,若數(shù)列{an}滿足|a2-a1|≤|a3-a1|≤|a4-a1|≤…≤|am-a1|,則稱{an}具有性質(zhì)P。
當(dāng)研究的新數(shù)列是某個確定數(shù)列時,約束其性質(zhì)甚至不需要給出新定義或冠名“性質(zhì)P”,只需要平鋪直敘。例如:
(2020年北京卷)已知{an}是無窮數(shù)列。給出兩個性質(zhì):① 對于{an}中任意兩項ai、aj(i>j),{an}中都存在一項am,使得a2iaj=am;② 對于{an}中任意一項an(n≥3),{an}中都存在兩項ak、al(k>l),使得an=a2kal。
所謂“關(guān)聯(lián)”新數(shù)列,是指對兩個數(shù)列,定義它們之間具有某種特殊關(guān)聯(lián),常常是用一個數(shù)列約束另一個數(shù)列。例如,前述2018年上海卷壓軸題利用特殊的等差(比)數(shù)列來“接近”一般的某個數(shù)列。類似地,還可以將一般的數(shù)列“嵌入”特殊的等差(比)數(shù)列中,例如:
(2018年上海春考卷)若{cn}是遞增數(shù)列,數(shù)列{an}滿足:對任意n∈N*,存在m∈N*,使得am-cnam-cn+1≤0,則稱{an}是{cn}的“分隔數(shù)列”。
提煉和引入數(shù)列新定義的方式很多,概而言之,都是通過新定義引入新數(shù)列,然后設(shè)置問題從不同角度、不同深度展開對新數(shù)列有關(guān)性質(zhì)的研究。為了信息集中,新定義中往往只涉及一或兩個數(shù)列。作為數(shù)列內(nèi)容的核心知識,等差數(shù)列和等比數(shù)列自然是數(shù)列新定義型壓軸題的基本內(nèi)容載體,新數(shù)列的有關(guān)性質(zhì)大多通過轉(zhuǎn)化為等差(比)數(shù)列的相關(guān)知識和方法來研究。當(dāng)然,有些新定義型壓軸題對思維能力的要求很高,所考查的方法和技巧包括組合計數(shù)、構(gòu)造對應(yīng)、尋找單調(diào)變化的量等,不限于數(shù)列知識一隅。
三、新定義型壓軸題的設(shè)問方式
新定義型壓軸題設(shè)問的基本原則是層層遞進(jìn)、逐步深入。新定義型壓軸題可以理解為微型的研究課題。解決這類問題時,通常會經(jīng)歷理解問題、分析問題、解決問題三個階段。但是,各個階段之間的起承轉(zhuǎn)合往往是有難度的,因而,需要在設(shè)問時進(jìn)行一定的鋪墊。常用的鋪墊手法包括但不限于:判斷簡單的數(shù)學(xué)對象是否符合新定義,來幫助理解新定義的含義;研究與新定義相關(guān)的熟悉的數(shù)學(xué)對象的性質(zhì),來掌握新定義的使用方法;類比新定義對象中簡單對象的研究方法,來探索復(fù)雜對象的性質(zhì)。
因此,新定義型壓軸題通常設(shè)置3個小題:第一小題解釋定義,第二小題挖掘性質(zhì),第三小題探究未知。這一模式可以引導(dǎo)有能力的學(xué)生在考場上有限的時間內(nèi)完成簡單的數(shù)學(xué)探究過程。筆者命制的上海市浦東新區(qū)2022屆高三一模第21題就是按照這樣的方式設(shè)問的:
已知數(shù)列{an},若存在A∈R,使得數(shù)列{|an-A|}是遞減數(shù)列,則稱數(shù)列{an}是“A型數(shù)列”。
(1)判斷數(shù)列π,-3,-1,12是否為“0型數(shù)列”;
(2)若等比數(shù)列{an}的通項公式為an=qn(n∈N*),q>0,其前n項和為Sn,且{Sn}是“A型數(shù)列”,用q表示A并求q的取值范圍;
(3)已知k>0,數(shù)列{an}滿足a1=0,an+1=k|an|-1(n∈N*),若存在A∈R,使得{an}是“A型數(shù)列”,求k的取值范圍,并求出所有滿足條件的A(用k表示)。
本題的新定義脫胎于數(shù)列極限的概念,但是與一般的數(shù)列極限定義不同,新定義中的參數(shù)A可能不是數(shù)列{an}的極限,而數(shù)列{an}的極限(若存在)也未必能作為新定義中的參數(shù)A。這一微妙的差異要求學(xué)生在探究問題時,類比教材中對數(shù)列極限的研究方法,但又不能直接套用公式或結(jié)論。
第一小題給出一個特別簡單(各項明確,無須推算,不含參數(shù))的數(shù)列讓學(xué)生判斷,幫助學(xué)生理解新定義。第二小題給出學(xué)生熟悉的等比數(shù)列(含參數(shù),即公比q),限定其前n項和數(shù)列為新定義數(shù)列,要求有關(guān)參數(shù)的關(guān)系及范圍,幫助學(xué)生熟悉新定義的使用。第三個小題則給出一個稍微復(fù)雜的遞推數(shù)列,讓學(xué)生類比第二小題等比數(shù)列的研究方法,來探索該數(shù)列的性質(zhì)。
第三小題求解參數(shù)A(用k表示)的過程對學(xué)生結(jié)合數(shù)學(xué)運(yùn)算進(jìn)行邏輯推理的數(shù)學(xué)語言表達(dá)能力提出了較高的要求,與大學(xué)數(shù)學(xué)分析的論證要求對標(biāo),有較好的區(qū)分度。其解答過程如下:
當(dāng)k≥1時,a1=0,a2=-1,a3=k-1。此時若存在A∈R,使得{an}是A型數(shù)列,則|A|>|A+1|>|k-1-A|,從而A<-12且k<1,矛盾。
當(dāng)0<k<1時,先證明an≤0(n∈N*)。由題意,a1=0,a2=-1,a3=k-1。因此,若存在n∈N*,使得an>0,則n≥4。假設(shè)n=m是使得an>0的最小正整數(shù),則am>0≥am-1,故am=-kam-1-1>0am-1<-1k,而am-1=-kam-2-1<-1kam-2>1-kk2>0,與m的最小性矛盾。故an≤0(n∈N*),從而an+1=-kan-1對一切n∈N*成立。由此得an=(-k)n-1-1k+1。記α=-1k+1,則|an-α|=kn-1k+1,{|an-α|}為遞減數(shù)列,即存在A=α,使得{an}為A型數(shù)列。
再證明α是唯一解。假設(shè)存在A≠α,使得{an}是A型數(shù)列。若A>α,則由a2m-1=α+k2m-2k+1知,當(dāng)m>logk2[(A-α)(k+1)]+1時,a2m-1<A。故|a2m-1-A|=A-α-k2m-2k+1<A-α-k2mk+1=|a2m+1-A|,{|an-A|}不是遞減數(shù)列,從而{an}不是A型數(shù)列。同理可證,A<α?xí)r,{an}也不是A型數(shù)列。
綜上,k∈(0,1),相應(yīng)的A=-1k+1。
近年的高考(和模擬)試題中已經(jīng)積累了不少新定義型壓軸題的案例,但是如何更好地發(fā)揮這類試題在評價方面的功能還有很多值得探索的細(xì)節(jié)。希望本文對深入認(rèn)識新定義型壓軸題能起到拋磚引玉的作用。
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