万变不离其宗——数学中的不变性思想

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  茫茫题海学生深陷其中而惘然;三载辛苦,一旦考题变化新颖又往往不知所措而望洋兴叹!近年来,福建省的高考、省质检的试题中渗透了一些具有高等数学背景的题目.这些试题立意深刻、变化新颖,即使第一线的教师也会感到困惑.大千世界尽管变化无穷,却仍然有一定之规.譬如,自然界中的能量守恒定律反映的是:能量可以从一种形式转化为其他形式,但在转化过程中能量的总量保持不变.数学作为自然科学基础的一门科学语言,必然对此现象有所反映.正所谓万变不离其宗,尽管数学问题中有着千变万化的变换形式,但真正反映其数学本质的却是在变换过程中保持不变的性质.德国数学家F.Klein在其著名的Erlangen纲领中,正是以这种不变性思想来刻画几何学的定义.当今中学数学中,几何学的新课改体现的就是这样一种理念.本文拟以近年来福建省的高考、省质检中的一些试题,尤其是压轴题为例,来说明数学中的不变性思想在解题中的指导作用.
  1 运算关系中的不变性
  2 顺序关系中的不变性
  前面讨论的是运算结构中的不变性问题,现在考虑中学数学另一类常见的顺序结构(大小关系)中的 不变性问题.
  保序同构不变性的本质是:在同构映射之下,像与原像之间保持大小顺序关系不变.对中学数学而言,就是利用函数的单调性,把函数值的大小关系转化为自变量的大小关系.
  A.充分而不必要条件
  B.必要而不充分条件
  C.充要条件
  D.既不充分也不必要条件
  3 几何变换中的不变性
  有关几何图形变换中的不变性问题,多数与函数图像的对称性、周期性相联系.
  在保距变换之下,图形的位置发生变化,但其几何性质仍然保持不变.
  的应用,可谓是俯仰皆拾.如:代数中的先化简后求值,意指变换前后数值不变(恒等变形);解方程过程中的形变解不变(同解变形);解析几何中的标准型蕴含的是代数表达形式不同,但几何性质不变;函数论中的不动点理论;概率统计中的频率稳定性;一直到现代数学中分形理论的自相似性等等.
  如果在高中数学教学中,能够有意识地去渗透这种不变性思想,必将使学生对数学的本质有更深刻的理解,起到事半功倍的作用;让学生在千变万化的数学形式中,找到一条以不变应万变的通途.
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