趙思林 王 佩

(內江師范學院數學與信息科學學院 641112)

2017年高考數學全國卷Ⅱ理科第23題是一道具有數學探究價值的不等式題，對該題多角度的思路分析與探究能夠激活發(fā)散思維，對該題的推廣可以培養(yǎng)問題意識并激發(fā)創(chuàng)新思維，對該題從解題思路分析與探究、問題的拓展與推廣等角度思考可引發(fā)如下的研究性學習．

1 試題介紹與評注

2017年高考數學全國卷Ⅱ理科第23題是：

已知a>0,b>0，a3+b3=2，證明：

(1)(a+b)(a5+b5)≥4；

(2)a+b≤2．

評注：此題形式對稱，結構簡單，給人以優(yōu)美的感受．該題背景深刻，思路寬、解法多，能夠激發(fā)思考和探究的欲望．因此，該題是一道研究性學習的好問題．第(2)問是一個經典的題目．

2 解題思路的分析與探究

2.1 第(1)問的思路分析與探究

分析與探究1證明不等式最常用方法是求差法．考慮到不等式的左邊是6次式，右邊是0次式(即常數項)，若用求差法，則需將右邊的0次式變成6次式．因此，有

(a+b)(a5+b5)-(a3+b3)2

=a5b+ab5-2a3b3

=ab(a2-b2)2

≥0，

等號成立當且僅當a=b．(注：以下不再說明等號成立的條件)

故(a+b)(a5+b5)≥4．

(a+b)(a5+b5)≥4

?(a+b)(a5+b5)≥(a3+b3)2

(說明：左右兩邊次數相同，同除以b6并通過整體代換將問題化為一元問題)

?(t+1)(t5+1)≥(t3+1)2

(說明：這就化為一元問題了)

?t5+t≥2t3

?t4+1≥2t2.

最后這個不等式是顯然成立的，故原不等式獲證．

評注：數學問題解決的本質是化歸與轉化，本方法通過“非齊次化齊次”、“多元化一元”，使問題簡潔獲解，其思維策略及方法具有普適性，值得體會與借鑒．

分析與探究3考慮到不等式的左邊比較復雜，可考慮從左邊下手．

(a+b)(a5+b5)=a6+b6+a5b+ab5

=(a3+b3)2-2a3b3+a5b+ab5

=4，

故(a+b)(a5+b5)≥4．

分析與探究4考慮用柯西不等式

因為a>0，b>0，則由柯西不等式，得

2.2 第(2)問的思路分析與探究

分析與探究1考慮從結論下手．由于條件a3+b3=2的左邊是3次式，待證結論a+b≤2的左邊是1次式，可考慮把1次式變成3次式．注意到a+b>0，則有

(a+b)3-8=(a+b)3-4(a3+b3)

=3a2b+3ab2-3a3-3b3

=3a2(b-a)+3b2(a-b)

=3(a-b)(b2-a2)

=-3(a-b)2(a+b)

≤0，

等號成立當且僅當a=b=1．(注：以下不再說明等號成立的條件)

即(a+b)3≤8.

又因為a>0,b>0，所以a+b>0，

故a+b≤2.

因為a>0,b>0，所以a+b>0，從而有

2=a3+b3=(a+b)(a2+b2-ab)

所以(a+b)3≤8，故a+b≤2．

分析與探究3考慮用反證法．

假設a+b>2，則a>2-b．注意到，函數y=x3在(-∞,+∞)上是增函數，則有a3>(2-b)3，此即a3>8-12b+6b2-b3．

又由a3+b3=2，則0>6-12b+6b2，

即0>6(1-b)2，矛盾.

故a+b≤2．

評注：由a>2-b推出a3>(2-b)3，需要以“函數y=x3在(-∞,+∞)上是增函數”為依據,否則，是不嚴謹的．

因為a>0,b>0，

所以，a+b=a·1·1+b·1·1

評注：若去掉條件“a>0,b>0”，則本解法就不能用了．

分析與探究6注意到，待證不等式a+b≤2中有兩數之和a+b的結構，可考慮構造兩數之積ab的結構，從而可構造一元二次方程，利用判別式法．由

2=(a+b)(a2+b2-ab)

令a+b=m，ab=n，則由a3+b3=2，得

2=(a+b)(a2+b2-ab)=m(m2-3n)，

又顯然有m2+2m+4=(m+1)2+3>0，

故a+b≤2．

評注：此解法表明，對于第(2)問，條件a>0，b>0是多余的．命題者給出條件a>0，b>0的意圖可能有二：一是可以降低試題的難度，二是讓本問的解答更具多樣性．

分析與探究7采用消元法．

評注：用消元法把問題變成一元函數，就可用導數這個工具．

評注：分析與探究8的方法具有推廣價值．本題的高等數學背景是函數的凸性．

3 試題的推廣

張景中院士指出，“推廣是數學研究中極其重要的手段之一，數學自身的發(fā)展在很大程度上依賴于推廣．數學家總是在已有知識的基礎上，向未知的領域擴展，從實際的概念及問題推廣出各種各樣的新概念、新問題．”[1]推廣是研究數學的重要方法，也是數學研究性學習的重要方法．推廣可以把問題一般化，從而實現從“一個題”到“一類題”的認知內化．推廣可以培養(yǎng)學生的問題意識、探究意識和創(chuàng)新意識．

考慮把題目中的條件削弱，即可得到推廣1．

推廣1(1)設a,b為實數，且ab≥0，a3+b3=2，則(a+b)(a5+b5)≥4；

(2)設a,b為實數，a3+b3=2，則a+b≤2．

評注：由2.1之分析與探究1知，(1)真；由2.2之分析與探究6知，(2)真．

推廣2設a>0,b>0,c>0，a3+b3+c3=3，則

(1)(a+b+c)(a5+b5+c5)≥9；

(2)a+b+c≤3．

證明(1)因為a>0，b>0，則由柯西不等式，得

(a+b+c)(a5+b5+c5)

(2)由均值不等式，得

a+b+c=a·1·1+b·1·1+c·1·1

=3.

推廣3設a>0,b>0，n∈N+，n≥2，an+bn=2，則

(1)(a+b)(a2n-1+b2n-1)≥4；

評注：(1)的證明可用柯西不等式；(2)的證明可用2.2之分析與探究7、8的方法．

推廣4設a>0,b>0，n∈N+，n≥2，an+bn=2，則

(an+1+bn+1)(an-1+bn-1)≥4．

推廣5設a>0,b>0，n,k∈N+，n≥2，n>k，an+bn=2，則

(an+k+bn+k)(an-k+bn-k)≥4．

推廣4和推廣5的證明可用柯西不等式．

評注：(1)的證明可用柯西不等式；(2)的證明用琴生不等式較為簡潔．

上述推廣1-5可以納入課堂，推廣6不宜納入課堂．