汪燕銘 盧發(fā)接

(北京師范大學(xué)第二附屬中學(xué) 100088)

2018年北京高考數(shù)學(xué)卷的試題繼承了“大氣、平和，貫通融合”的特點(diǎn)，在試題的呈現(xiàn)方式，題材的選取，能力立意和數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)的考查等方面都進(jìn)行了很好的探索[1]．試卷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，難易程度適當(dāng)，注重?cái)?shù)學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的考查，試題內(nèi)容立足主干知識(shí)，密切聯(lián)系學(xué)生的學(xué)習(xí)和生活實(shí)際，充分體現(xiàn)數(shù)學(xué)在應(yīng)用、文化和教育方面的價(jià)值，達(dá)到了《2018年普通高等學(xué)校招生全國(guó)統(tǒng)一考試北京卷考試說明》[2]中要求突出數(shù)學(xué)試題的能力立意，強(qiáng)化對(duì)素質(zhì)教育的正確導(dǎo)向的目的．

北京高考數(shù)學(xué)卷理科壓軸題特色鮮明，一直受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注．該題通常沒有固定的解題套路，在平時(shí)訓(xùn)練中很少見到類似的題型，需要學(xué)生閱讀題目?jī)?nèi)容，理解題中定義的新概念或新運(yùn)算的含義，探究它們的性質(zhì)，并應(yīng)用于解決問題．2018年北京高考數(shù)學(xué)理科壓軸題以集合為載體，定義了一種新運(yùn)算，通過基本計(jì)算和求滿足給定條件的集合元素個(gè)數(shù)的最大值，重點(diǎn)考查學(xué)生的抽象概括能力和推理論證能力．

題目設(shè)n為正整數(shù)，集合A={α|α=(t1,t2,…,tn),tk∈{0,1},k=1,2,…,n}.對(duì)于集合A中的任意元素α=(x1,x2,…,xn)和β=(y1,y2,…,yn)，記

(Ⅰ) 當(dāng)n=3時(shí)，若α=(1,1,0)，β=(0,1,1)，求M(α,α)和M(α,β)的值；

(Ⅱ) 當(dāng)n=4時(shí)，設(shè)B是A的子集，且滿足：對(duì)于B中的任意元素α,β，當(dāng)α,β相同時(shí)，M(α,β)是奇數(shù)；當(dāng)α,β不同時(shí)，M(α,β)是偶數(shù). 求集合B中元素個(gè)數(shù)的最大值；

(Ⅲ) 給定不小于2的n，設(shè)B是A的子集，且滿足：對(duì)于B中的任意兩個(gè)不同的元素α,β，M(α,β)=0.寫出一個(gè)集合B，使其元素個(gè)數(shù)最多，并說明理由.

在本文，我們首先給出新運(yùn)算M(α,β)的一個(gè)等價(jià)定義，然后基于此定義給出上述壓軸題的另一種解法．最后，我們分析該問題的高等數(shù)學(xué)背景，進(jìn)一步認(rèn)清運(yùn)算M(α,β)的本質(zhì)，同時(shí)給出第3問的更簡(jiǎn)潔的解法．

1 壓軸題中M(α,β)的等價(jià)定義與壓軸題的另解

注意到，對(duì)任意x,y∈R，

我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)x,y=0或1時(shí)，總有min{x,y}=xy．

于是，對(duì)任意α=(x1,x2,…,xn)，β=(y1,y2,…,yn)∈A，

M(α,β)=x1y1+x2y2+…+xnyn．

(1)

這樣一來，經(jīng)過推理論證和抽象概括，我們得到了M(α,β)的一個(gè)等價(jià)定義，其表達(dá)式更加簡(jiǎn)潔優(yōu)美和熟悉．基于此定義，我們可以給出該壓軸題的另一種解法．

解(Ⅰ) 由(1)式直接計(jì)算得：M(α,α)=2，M(α,β)=1．

α1=(1,0,0,0)，α2=(0,1,0,0)，α3=(0,0,1,0)，α4=(0,0,0,1)，

β1=(1,0,1,1)，β2=(1,1,0,1)，β3=(1,1,1,0)，β4=(0,1,1,1)．

而M(αi,βi)=1，故αi與βi不能同屬于B，i=1,2,3,4．由此推出，B中至多4個(gè)元素．而B={α1,α2,α3,α4}滿足條件，故B中元素個(gè)數(shù)的最大值為4．

(Ⅲ)先用數(shù)學(xué)歸納法證明：當(dāng)n≥2時(shí)，|B|≤n+1．

當(dāng)n=2時(shí)，A中有4個(gè)元素α1=(0,0),α2=(1,0),α3=(0,1),α4=(1,1)．由于M(α2,α4)=1，M(α3,α4)=1，故當(dāng)α4∈B時(shí)，α2,α3?B，此時(shí)|B|≤2；當(dāng)α4?B時(shí)，|B|≤3．結(jié)論成立．

假設(shè)n=k時(shí)結(jié)論成立．那么，當(dāng)n=k+1時(shí)，對(duì)任意α=(x1,x2,…,xk+1)∈A，記

α′=(x1,x2,…,xk)．

如果B中每個(gè)元素的第k+1個(gè)分量為0，令B′={α′|α∈B}，則|B|=|B′|，且對(duì)任意α′,β′∈B′，M(α′,β′)=M(α,β)=0．由歸納假設(shè)知，|B′|≤k+1，從而|B|≤k+1．如果B中存在一個(gè)元素α=(x1,…,xk,1)，則對(duì)任意β=(y1,y2,…,yk+1)∈B，β≠α，由于M(α,β)=0，故0=x1y1+…+xkyk+yk+1≥yk+1≥0，從而yk+1=0．令B′={β′|β∈B,β≠α}，則|B|=|B′|+1．由歸納假設(shè)知，|B|≤(k+1)+1=k+2．結(jié)論仍然成立．

因此，當(dāng)n≥2時(shí)，|B|≤n+1．

再選取B={α1,α2,…,αn,αn+1}，其中

(2)

則|B|=n+1，且對(duì)任意α,β∈B,β≠α，都有M(α,β)=0．

綜上所述，B中元素個(gè)數(shù)的最大值為n+1．

需要指出的是，(Ⅱ)和(Ⅲ)的證明過程都需要學(xué)生具有一定的推理論證的能力．例如，要證明集合B中元素個(gè)數(shù)的最大值為某個(gè)確定的數(shù)a，首先要證明對(duì)滿足條件的每個(gè)集合B，其元素個(gè)數(shù)不超過a，然后證明存在一個(gè)滿足條件的集合B，其元素個(gè)數(shù)恰好為a．另外，(Ⅲ)的證明過程還要求學(xué)生具有抽象概括的能力．例如，要得到集合B中元素個(gè)數(shù)不超過n+1，先要考察一些特殊情形，如n=2,3,4的情形，發(fā)現(xiàn)集合B中元素個(gè)數(shù)分別不超過3，4，5，由此抽象出一般規(guī)律，然后用數(shù)學(xué)歸納法嚴(yán)格證明．

2 壓軸題的高等數(shù)學(xué)背景

從(1)式可以看出，運(yùn)算M(α,β)與歐氏空間Rn中的內(nèi)積之間有密切的關(guān)系．首先，我們回顧歐氏空間的概念．

定義[3]設(shè)V是實(shí)數(shù)域R上一個(gè)向量空間．若對(duì)V中任意一對(duì)向量α,β，都有一個(gè)確定的記作(α,β)的實(shí)數(shù)與它們對(duì)應(yīng)，并且滿足下列條件：

①(α,β)=(β,α)；

②(kα,β)=k(α,β)；

③(α+β,γ)=(α,γ)+(β,γ)；

④當(dāng)α≠0時(shí)，(α,α)>0，

這里α,β,γ是V中的任意向量，k是任意實(shí)數(shù)，則稱(α,β)為α與β的內(nèi)積，定義了內(nèi)積的R上的向量空間V稱為歐氏空間．

在歐氏空間V中，如果向量α,β滿足(α,β)=0，則稱α與β正交．

命題[3]設(shè)V為歐氏空間，α1,α2,…,αm∈V為兩兩正交的非零向量，則α1,α2,…,αm線性無關(guān)．

我們知道，Rn是R上的n維向量空間．對(duì)任意ξ=(x1,x2,…,xn),η=(y1,y2,…,yn)∈Rn，規(guī)定：

(ξ,η)=x1y1+x2y2+…+xnyn．

容易驗(yàn)證，(·,·)滿足條件①～④．因此，它是向量空間Rn的一個(gè)內(nèi)積，從而Rn關(guān)于這個(gè)內(nèi)積作成一個(gè)歐氏空間．

注意到，壓軸題中的集合A是Rn的非空子集．再由(1)式知，定義在A上的新運(yùn)算M(α,β)本質(zhì)上就是α與β的內(nèi)積．利用歐氏空間的基本知識(shí)，我們很容易給出壓軸題第3問的一個(gè)簡(jiǎn)潔證明．

(Ⅲ)的證明由命題知，Rn中彼此正交的非零向量一定是線性無關(guān)的，而集合B是由A中若干個(gè)彼此正交的向量構(gòu)成的集合，故B中非零向量的個(gè)數(shù)不超過Rn的維數(shù)n．由于零向量與任何向量正交，故B中向量的個(gè)數(shù)不超過n+1．另一方面，A中存在n+1個(gè)彼此正交的向量，如(2)式中給出的α1,α2,…,αn+1.因此，B中元素個(gè)數(shù)的最大值為n+1．

我們發(fā)現(xiàn)，本文討論的題目與2010年北京高考數(shù)學(xué)理科壓軸題有相似的數(shù)學(xué)背景．后者敘述如下：

已知集合Sn={X|X=(x1,x2,…，xn),xi∈{0,1},i=1,2,…,n}(n≥2)對(duì)于A=(a1,a2,…,an)，B=(b1,b2,…,bn)∈Sn，定義A與B的差為：

A-B=(|a1-b1|,|a2-b2|,…,|an-bn|)；

A與B之間的距離為：

(3)

(Ⅰ) 證明：?A,B,C∈Sn，有A-B∈Sn且d(A-C,B-C)=d(A,B)；

(Ⅱ) 證明：?A,B,C∈Sn，d(A,B),d(A,C),d(B,C)三個(gè)數(shù)中至少有一個(gè)是偶數(shù)；

這兩題都是以共同的集合為載體，在集合上定義新運(yùn)算，先讓學(xué)生探究新運(yùn)算的一些基本性質(zhì)，然后證明有關(guān)新運(yùn)算的不等式．盡管本文討論的壓軸題第3問是求最大值，但本質(zhì)上也是證明一個(gè)關(guān)于運(yùn)算M(α,β)的不等式．另外，前者的高等數(shù)學(xué)背景是歐氏空間Rn(定義了內(nèi)積的R上的向量空間)，運(yùn)算M(α,β)為向量α與β的內(nèi)積；后者的高等數(shù)學(xué)背景是賦范向量空間Rn(定義了范數(shù)的向量空間)[4]，其中范數(shù)為

||x||1=|x1|+|x2|+…+|xn|,

?x=(x1,x2,…,xn)∈Rn.

由(3)式知，運(yùn)算d(A,B)實(shí)際上為范數(shù)||·||1導(dǎo)出的向量A與B之間的距離，即

d(A,B)=||A-B||1，

這里，A-B為向量空間Rn中向量A與B的差．作為中學(xué)數(shù)學(xué)教師，我們需要透過題目表面，挖掘其背后的數(shù)學(xué)本質(zhì)．這樣做的目的，并不是要給學(xué)生講解這些題目背后的高等數(shù)學(xué)背景，而是讓自己的解題教學(xué)盡可能地做到有章可循．