用欣赏的眼光看“单调”

来源 :数学学习与研究 | 被引量 : 0次 | 上传用户:same786
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  函数是描述宏观世界变化规律的重要数学模型,是整个高中的核心概念.而函数的单调性则是刻画函数形态的一个重要特征,是学生在了解函数概念后学习函数的第一个性质,函数的单调性概念用符号语言描述,具有高度抽象性,而抽象性就是函数单调性教学的终极目标,也是最高要求.
  那函数的单调性概念是如何由直观走向抽象的,它的本质又到底是什么呢?下面我们从四个思维递进层次用欣赏的眼光看单调,并对函数单调性的概念进行剖析,以期达到理顺逻辑关系,突破教学难点的目的.
  一、形上直观看单调
  从函数的图像入手研究单调性,比较直观,很容易被感知.图形化的“单调性”,可以理解为:函数图像“从左到右”所呈现出动态的“升”“降”.
  如:让学生观察某市某一天的气温变化图,可以直观感受到图像在某些时段温度升高或降低,即变化趋势,再通过观察y=x,y=x2,y=1[]x等函数的图像,不难总结出单调性体现在形上包括三个方面:一是动态化的(即所谓的“升”或“降”),二是有方向性的(即所谓“从左到右”,“x增大的方向”),三是局部化的(即所谓“一段一段”).
  由此,我们不难得到函数单调性的直观描述性定义:设函数f(x)的定义域为I,区间DI;如果在区间D上函数值y随着自变量x的增大而增大(减小),那么就说函数f(x)在区间D上是增(减)函数.
  尽管这种定义不严格,但学生初步理解到的是两个变量之间具有依赖性的增减关系,这是函数单调性中最为基本和初始的思想,这是根本性的要素,也是从图形中原初思想迈向数学概念的关键性的第一步.
  二、无限离散型函数的单调性
  由函数单调性的直观描述定义我们易知:对一个函数,若定义域是有限集合,那么就可以把自变量x一个都不少的由小到大排列起来,看所有函数值y是否不断增加或减少即可.正因为是有限集合上的函数,我们可以一个个的比较和判断,这是没有什么难度的.
  但当函数的定义域是无限集的情形,单调性又该如何表述呢?我们可以先以无限数列为研究对象,该如何表示其单调性呢?无限数列的本质是一类无限离散型的函数,若一个一个排,永远排不完,没有尽头.但由于数列是离散的,因此我们可以用n∈N*表示“每一个”,用n和n 1表示前项和后项,这样就涵盖了数列的各项,可以完成对数列单调性的描述.于是我们可以用数学语言对其定义如下:数列{an}成为是单调递增(减)数列,是指对于每一个n∈N*,都有an 1>an(an 1  三、在连续数集上的单调性
  定义在连续数集上的函数,我们无法一一枚举,也无法如数列一般分出先后,比较前后两项.于是,我们再进一步定义:
  对于区间D上任意两个自变量,当x1f(x2)),则称f(x)是区间D上的增(减)函数,反之同样成立.
  对于这里的任意二字,很多学生会觉得较抽象,其实这一描述也是与形上的“处处”二字、数列中的“每一个”相对应的.若对于区间D=[a,b]这一无限连续集合,由于在“形”上,单调上升体现为在区间D上处处上升,一点也不能少;对单调性在“数”上的刻画,对于一个无限集合,我们自然无法一个个检验,也没有相邻两项可以检验,于是只能任取两个值做检验.即无论取哪两个自变量值x1,x2,只要x1  四、从推广联系上谈单调
  经过三次思维递进后,我们得到了函数单调性的数学语言描述,但当我们利用其判断函数的单调性时,还经常出现其一些变形形式,如:(1)乘积式:对于区间D上任意两个自变量x1≠x2,若(x2-x1)f(x2)-f(x1)>0(<0),则称f(x)是区间D上的增(减)函数,反之同样成立;(2)比例式:对于区间D上任意两个自变量x1≠x2,
  若f(x2)-f(x1)x2-x1>0(<0),则称f(x)是区间D上的增(减)函数,反之同样成立.
  函数单调性的比例式表达与定义异曲同工,但f(x2)-f(x1)x2-x1可以表示平均变化率,从“形”的角度又可用来表示函数图像上连接(x1,f(x1)),(x2,f(x2))这两点线段的斜率,即割线的斜率.
  若我们把两个任意点中的一个点看成另外一个点的变量,即f(x2)-f(x1)变成f(x Δx)-f(x),而x2-x1变成了Δx,于是此比例式可化为:f(x Δx)-f(x)Δx,若Δx无限小,导数的概念便产生了,由此把单调性和导数联系了起来:在某个区间(a,b)内,若
  f′(x)>0,则f(x)在(a,b)上是增函数;若f′(x)<0,则f(x)在(a,b)上是减函数.
  由平均变化率转变为瞬时变化率,从形的角度来看,由割线的斜率转变为切线的斜率,这也从某种程度上揭示了导数产生的过程.导数也成为判断函数单调性的一种便捷的方法.
  以上分析,阐述了函数单调性逐步抽象直至完善的过程,也串起了单调性、导数等概念的纵横联系,当我们用欣赏的眼光看函数的单调性,还原它非形式化的一面,便可进一步剖析其内涵,化解难点直击其本质.
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