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        高等數(shù)學(xué)習(xí)題教學(xué)改革淺談

        2015-12-26 03:06:22邵任翔
        關(guān)鍵詞:二階導(dǎo)數(shù)性質(zhì)

        邵任翔,萬 麗

        邵任翔/廣州大學(xué)數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院講師,碩士(廣東廣州 510006);萬麗/廣州大學(xué)數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院教授,博士(廣東廣州 510006)。

        培養(yǎng)數(shù)學(xué)能力,訓(xùn)練非常重要。通過解題訓(xùn)練對于培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)能力非常有效。數(shù)學(xué)習(xí)題的組成部分包括已知條件、計(jì)算過程和實(shí)現(xiàn)目的。習(xí)題教學(xué)主要有以下幾方面的功能。

        1.學(xué)生可以通過習(xí)題課發(fā)現(xiàn)自己平時(shí)在學(xué)習(xí)過程中所遇到的問題,從而有針對性地補(bǔ)充相關(guān)的知識。

        2.激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)生的解題能力。學(xué)生的解題能力提高了,有利于提升學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心。

        3.拓展和延伸學(xué)生的學(xué)習(xí)能力,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性。讓學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)知識之間的聯(lián)系,培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力,讓學(xué)生養(yǎng)成愛思考、會思考的習(xí)慣。

        發(fā)散思維(Divergent Thinking),又稱輻射思維、放射思維、擴(kuò)散思維或求異思維,是指大腦在思維時(shí)呈現(xiàn)的一種擴(kuò)散狀態(tài)的思維模式,它表現(xiàn)為思維視野廣闊,思維呈現(xiàn)出多維發(fā)散狀。不少心理學(xué)家認(rèn)為,發(fā)散思維是創(chuàng)造性思維的最主要的特點(diǎn),是測定創(chuàng)造力的主要標(biāo)志之一。培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維應(yīng)該是高等數(shù)學(xué)教學(xué)的主要目的之一。[1]

        在習(xí)題的設(shè)計(jì)上,我們要遵循基礎(chǔ)為主、兼顧綜合的原則,做到環(huán)環(huán)相扣,逐步提高。既要有基本的練習(xí),又要有一些跳躍性的習(xí)題,還要有一些綜合性較強(qiáng)的練習(xí),這樣有利于學(xué)生加強(qiáng)實(shí)踐,拓展思維,促進(jìn)知識向技能的轉(zhuǎn)化。

        一、現(xiàn)階段教材及教學(xué)所欠缺的地方

        在高等數(shù)學(xué)的教材和考試中,我們習(xí)慣給出一些計(jì)算題和證明題。這兩類題目所共有的特點(diǎn)就是:題目已經(jīng)暗示你可以算出它的解析解,并且我們所要證明的命題也一定是真命題。但實(shí)際上,對于很多問題,我們無法算出它的解析解,對于很多命題,其實(shí)它本身是假命題。所以對于學(xué)生而言,他們需要明白,哪些問題其實(shí)是無法求出解析解,而只能求數(shù)值解。對于有些命題,我們事先并不知道它是真命題還是假命題,則需要我們首先做出判斷,如果是真命題,需要證明;如果是假命題,需要舉出反例。

        我們的教材過于強(qiáng)調(diào)驗(yàn)證知識,而不是發(fā)現(xiàn)知識,缺少思路啟發(fā),或者說過于強(qiáng)調(diào)演繹推理,而不是歸納發(fā)現(xiàn)。知識的發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證都是不可或缺的重要方面,有利于提高學(xué)生們的主動創(chuàng)造能力。

        現(xiàn)實(shí)的習(xí)題教學(xué)實(shí)踐中,存在著這樣一種值得我們注意的現(xiàn)象:在某種程度和范圍內(nèi),教師由于對某一問題認(rèn)識不足或雖然重視卻又缺乏深入研究的現(xiàn)象,導(dǎo)致了在習(xí)題教學(xué)中對解題方法的基本要素的把握嚴(yán)重欠缺,更談不上對其主要思想和基本方法的探索。[5]

        二、對現(xiàn)階段高等數(shù)學(xué)教學(xué)的一些改進(jìn)

        針對以上出現(xiàn)的問題,本人建議在例題、習(xí)題和考試中,增加以下題型,以拓展學(xué)生的發(fā)散思維。

        1.錯(cuò)題教學(xué)。給出錯(cuò)題,讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤,并給出正確的解法。我們看下面這道題:

        設(shè)函數(shù)在點(diǎn)a處具有連續(xù)的二階導(dǎo)數(shù)。

        錯(cuò)誤的原因在于f(x)在點(diǎn)a處二階可導(dǎo),不能推出f(x)在點(diǎn)a的某個(gè)鄰域內(nèi)存在二階導(dǎo)數(shù),故不能在第一個(gè)等式之后再用羅必塔法則。應(yīng)用二階導(dǎo)數(shù)的定義可以證明這道題。這種題型的好處在于不僅讓學(xué)生求解或者證明一道題,而且讓學(xué)生糾正錯(cuò)誤的解法,避免以后發(fā)生相同的錯(cuò)誤。

        2.反例教學(xué)。給出命題,讓學(xué)生判斷對錯(cuò),如果是真命題,需要證明;如果是假命題,需要舉出反例。并且通過修改假命題的條件,可以把假命題更改為真命題。我們看下面這道題:

        3.補(bǔ)充證明。對于一些較長或者較難的證明題,空出關(guān)鍵部分,讓學(xué)生補(bǔ)充證明。這種題型在程序員考試中經(jīng)常出現(xiàn),但是在數(shù)學(xué)考試中很少出現(xiàn)。

        我們看下面一道題:補(bǔ)充完整,使證明正確。

        現(xiàn)設(shè) M0>0,M2>0,利用泰勒公式,?ξ?( , ),使f由此得到于是證得

        這道題,大多數(shù)人應(yīng)該知道證明在于構(gòu)造f(x)與f″(x)的關(guān)系,但是在哪個(gè)點(diǎn)利用泰勒公式展開是問題的關(guān)鍵。這種題型的好處在于降低了證明題的難度,而在一定程度上考察了學(xué)生的自學(xué)能力,也就是現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用的能力。這樣對于一些太難的證明題也可以放到試題中去讓學(xué)生補(bǔ)充證明。并且在改卷的時(shí)候,可以降低教師的工作量。當(dāng)然,缺點(diǎn)在于引導(dǎo)學(xué)生必須按照命題者的思路解答問題。

        4.一題多解。[3]在數(shù)學(xué)教學(xué)過程中適當(dāng)?shù)厥褂谩耙活}多解”,不僅有利于學(xué)生創(chuàng)造性思維、發(fā)散性思維的培養(yǎng),有利于開拓學(xué)生解題思路,提高學(xué)生靈活地、綜合地運(yùn)用數(shù)學(xué)知識解決問題的能力,而且有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的積極性,提高學(xué)習(xí)興趣等。

        設(shè)f(x)在[a,b]上有連續(xù)的一階導(dǎo)數(shù),且f″(a)=求證:

        證法1:因?yàn)閒(x)在[a,b]上有一階導(dǎo)數(shù)對于任意x?[a,b],在[a,x]上使用拉格朗日中值定理可知,存在ξ?[a,x]?[a,b],使得:f(x)-f(a)=f′(ξ)(x-a)。又因?yàn)閒(a)=0,所以:

        證法 2:因?yàn)閒(x)在[a,b]上有一階連續(xù)導(dǎo)數(shù),而且f(a)=0,則對于任意 x?[a,b],有

        所以:

        解題關(guān)鍵在于利用分部積分,使f(x)與f′(x)聯(lián)系起來。

        5.一題多變。[4]在教學(xué)中,如果我們能注意一題多變的處理,將有利于培養(yǎng)學(xué)生多種優(yōu)良的思維品質(zhì),提高其素質(zhì),達(dá)到許多教學(xué)方式難以達(dá)到的目的。一題多變的運(yùn)用主要有:更換條件與結(jié)論、改變題目的條件、增加或減少題目的條件等。下面結(jié)合在微分方程教學(xué)中講解二階常系數(shù)線性微分方程的解為例談?wù)勔活}多變的應(yīng)用實(shí)踐。

        特解形式的假設(shè)是解常系數(shù)線性微分方程的關(guān)鍵。我們知道“一個(gè)非齊次線性微分方程的通解=對應(yīng)齊次線性微分方程的通解+非齊次線性微分方程自身的一個(gè)特解”。 并且知道 y″+py′+qy=pn(x)eλx特解形式中,Q(x)是一個(gè)與 pn(x)n有相同次數(shù)的多項(xiàng)式,k是一個(gè)整數(shù):

        (1)當(dāng)λ不是特征根時(shí),k=0;

        (2)當(dāng)λ是特征根時(shí),但不是重根時(shí),k=1;

        (3)當(dāng)λ是特征根時(shí),且是重根時(shí),k=2.

        我們可以在求解“求方程 y″-2y′-3y=3x+1(p≠0,q≠0)的一個(gè)特解”的基礎(chǔ)上,變化出(1)y″-2y′=3x+1(變右不變左,p≠0,q≠0)(2)y″-2y′-3y=2xex(變右不變左,λ 不是特征根)(3)y″-2y′-3y=3e-x(變右不變左,λ是特征根,但不是重根)(4)y″+y=-sin2x(±2i不是特征根)(5)y″+y=cosx(±i是特征根)。

        這幾道題基本包含了二階常系數(shù)齊次線性微分方程三種類型的各種情況,使學(xué)生通過練習(xí),不僅加深和鞏固了這部分知識,而且減少了特征根的重復(fù)計(jì)算,節(jié)省了時(shí)間和精力,達(dá)到了應(yīng)有的目的。

        6.開放問題。所謂開放問題,是指該問題并沒有唯一答案,而是促發(fā)學(xué)生思考,提出自己的看法,類似于讓學(xué)生完成一篇小論文。

        我們知道隱函數(shù)定理講述了:一元隱函數(shù)的導(dǎo)數(shù)可以由其所對應(yīng)二元函數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)表示?;蛘哒f一元隱函數(shù)的某些重要性質(zhì)可以由所對應(yīng)的二元函數(shù)確定。但是隱函數(shù)的性質(zhì)能否影響其對應(yīng)的二元函數(shù)的性質(zhì)呢?這類問題我們在講述隱函數(shù)定理時(shí)極少討論。

        該問題的討論,我們可以遵循從具體到抽象的原則。先討論一些具體的函數(shù),然后討論抽象函數(shù),判斷它們的性質(zhì)之間有什么聯(lián)系。

        比如在經(jīng)濟(jì)學(xué)中我們經(jīng)常見到的二元效用函數(shù)y=u(x1,x2),其所決定的一元隱函數(shù) u(x1,x2)=c(c<0)具有單調(diào)遞減、下凸的性質(zhì)。由此推斷效用函數(shù)y=u(x1,x2)的一些性質(zhì)。

        顯然二元函數(shù)y=u(x1,x2)如果具有性質(zhì):

        如果一元隱函數(shù) u(x1,x2)=c(c>0)具有單調(diào)遞減、下凸的性質(zhì),那么二元函數(shù)y=u(x1,x2)具有什么性質(zhì)?顯然(*)式所具有的性質(zhì)不一定完全成立,但是二元函數(shù) y=u(x1,x2)的性質(zhì)必定受u(x1,x2)=c的性質(zhì)制約。在這里我們可以先尋找一些具體的效用函數(shù),比如等。我們可以先研究這些具體隱函數(shù)u(x1,x2)=c 的性質(zhì)和具體二元函數(shù) y=u(x1,x2)性質(zhì)之間的聯(lián)系,再去推斷抽象函數(shù)性質(zhì)之間的聯(lián)系。

        開放問題雖然不適合在考試中選用,但是非常適合學(xué)生在平時(shí)作業(yè)中完成,可以鍛煉學(xué)生的創(chuàng)造性和發(fā)散思維。

        [1]百度百科:http://baike.baidu.com/link?url=t8WhmuiAckanP3X_l_niHOdQY03hWCjZefrYrHDeWxOwOgy9v P1w69INFyr_yYknA54HSYBMEJrK98tCiEOtYK

        [2]華東師范大學(xué)數(shù)學(xué)系.數(shù)學(xué)分析[M].北京:高等教育出版社,2011.

        [3]同濟(jì)大學(xué)數(shù)學(xué)教研室.高等數(shù)學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1996.

        [4]李治飛,陳清江.一道積分不等式的多種證法[J].高等數(shù)學(xué)研究,2011(1).

        [5]趙云河.一題多變在培養(yǎng)學(xué)生在求異思維中的應(yīng)用[J].數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)與研究,2012(10).

        [6]楊啟祥,周長軍.中學(xué)數(shù)學(xué)習(xí)題教學(xué)芻議[J].科學(xué)教育創(chuàng)新,2008(16).

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