?合肥師范學(xué)院數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院 方 晶 張新全

1 試題呈現(xiàn)

2022年全國高考數(shù)學(xué)乙卷理科第21題如下：

已知函數(shù)f(x)=ln(1+x)+axe-x.

(1)當(dāng)a=1時(shí)，求曲線y=f(x)在(0,f(0))處的切線方程；

(2)若f(x)在區(qū)間(-1,0)，(0,+∞)各恰有一個(gè)零點(diǎn)，求a的取值范圍.

該題背景熟悉，題干簡約，問題明確，以對數(shù)函數(shù)和指數(shù)函數(shù)為載體，考查了曲線在一點(diǎn)處切線的求法，以及利用導(dǎo)數(shù)研究函數(shù)零點(diǎn)的方法，對考生綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)知識解決問題的能力要求較高.作為一道導(dǎo)數(shù)及其應(yīng)用的壓軸題，涵蓋的知識點(diǎn)多且解題思路也多，深入考查了學(xué)生的數(shù)學(xué)抽象、邏輯推理、數(shù)學(xué)運(yùn)算和直觀想象等數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)，是一道經(jīng)典且有新意的試題.

2 解法探究

該題秉承了壓軸題的一貫命題思路，作為導(dǎo)數(shù)及其應(yīng)用的壓軸題，第(1)問的求解較為簡單，考查了曲線在一點(diǎn)處切線方程的求法，為后續(xù)解答作鋪墊.第(2)問難度比較大，通過限定零點(diǎn)的范圍求參數(shù)的取值范圍，需要綜合運(yùn)用數(shù)形結(jié)合、參變分離和分類討論等思想方法，通過函數(shù)圖象的交點(diǎn)、函數(shù)的零點(diǎn)及其性質(zhì)和零點(diǎn)轉(zhuǎn)化為方程的根等思路求解[1].研究該類試題的解法，有助于教師與學(xué)生提升解決綜合性問題的能力，并進(jìn)一步改善教與學(xué).因此，下面我們重點(diǎn)研究第(2)問的解法.

2.1 第(1)問的簡要解答

2.2 第(2)問的解法探究

方法一：仔細(xì)觀察函數(shù)f(x)，可利用變量分離法研究函數(shù)的零點(diǎn)問題.分離后的參變量是關(guān)于x的函數(shù)，可利用其導(dǎo)數(shù)分析函數(shù)的性態(tài)，以其駐點(diǎn)作為分界點(diǎn)進(jìn)一步進(jìn)行討論，求解過程中還利用了極限逼近的思想，最終求得符合條件的a的取值范圍.

圖1

故a的取值范圍為(-∞，-1).

評注：上述解法是較為常見的分離參數(shù)法，往往涉及的數(shù)學(xué)思想比較豐富，比如極限思想、分類思想等.在分離參數(shù)求解的過程中，還可以融入數(shù)形結(jié)合思想，此時(shí)可以引導(dǎo)學(xué)生通過繪制兩個(gè)函數(shù)的圖象，先大致判斷a的取值范圍，有助于學(xué)生求解其準(zhǔn)確范圍，并且二者之間可以相互驗(yàn)證.該題的求解有助于學(xué)生數(shù)學(xué)抽象、邏輯推理等核心素養(yǎng)的達(dá)成.

方法二：利用求導(dǎo)的方式，用單調(diào)區(qū)間分析推出參數(shù)的取值范圍.觀察導(dǎo)函數(shù)的特征并探討分界點(diǎn)a=-1，結(jié)合函數(shù)的單調(diào)性，判斷情形一和情形二與題意矛盾，即利用反證法再次縮小范圍，借助零點(diǎn)定理和特殊值法求得縮小后的區(qū)間，通過不斷縮小區(qū)間，驗(yàn)證a的取值范圍的合理性.

情形一：若a≥0，則當(dāng)x>0時(shí)，f(x)>0，f(x)在(0,+∞)內(nèi)無零點(diǎn)，這與f(x)在(0,+∞)內(nèi)恰有一個(gè)零點(diǎn)矛盾，故不可能有a≥0.

情形二：若-1≤a<0，則當(dāng)x>0時(shí)，g(x)>g(0)=1+a≥0，從而f′(x)>0，故f(x)在(0,+∞)上單調(diào)遞增.所以當(dāng)x>0時(shí)，f(x)>f(0)=0，f(x)在(0,+∞)內(nèi)無零點(diǎn).故不可能有-1≤a<0.

圖2

綜上所述，a的取值范圍是(-∞,-1).

評析：我們可以通過導(dǎo)數(shù)確定分界點(diǎn)，進(jìn)而借助其判斷各區(qū)間是否滿足題意.這種解法的亮點(diǎn)是通過特殊值來運(yùn)用零點(diǎn)定理縮小猜想的范圍，通過三次縮小范圍，進(jìn)而確定f(x)在2個(gè)區(qū)間內(nèi)分別恰有一個(gè)零點(diǎn)的合理性.同樣，在數(shù)學(xué)教學(xué)中，我們可以引導(dǎo)學(xué)生通過取特殊值的方式，大膽猜想結(jié)論，這樣解題的難度將會有所減小[2].

方法三：在方法二的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用極限思想和逼近思想進(jìn)行求解.確定參數(shù)a的取值范圍問題往往涵蓋了函數(shù)值域、求導(dǎo)、極值和單調(diào)性等知識點(diǎn)，綜合考查了極限思想，數(shù)形結(jié)合和分類討論等思想方法，進(jìn)而求得a的取值范圍.解決這樣一類有難度的數(shù)學(xué)問題，可以通過高等數(shù)學(xué)中根的存在性定理、極限的保不等式性、極值分析法和夾逼準(zhǔn)則等，以更開闊的視角來解決函數(shù)壓軸題[3].

②下面討論f(x)在(0,+∞)內(nèi)恰有一個(gè)零點(diǎn)，因?yàn)間(0)=a+1<0，g(1)=1>0，又g(x)在(0,1)內(nèi)單調(diào)遞增，故由零點(diǎn)定理可得，存在唯一的一點(diǎn)x1∈(0,1)，使得g(x1)=0.當(dāng)x∈(0,x1)時(shí)，g(x)<0，即f′(x)<0，所以f(x1)<0，當(dāng)x∈(x1,1)時(shí)，g(x)>0，即f′(x)>0.

綜上所述，a的取值范圍是(-∞,-1).

評析：這種方法同方法二均采用了求導(dǎo)和分類討論的方式求解，但又區(qū)別于方法二，更加強(qiáng)調(diào)了對導(dǎo)數(shù)f′(x)中g(shù)(x)的探討，其中所蘊(yùn)含的極限思想也更加有利于理解其闡述的含義.因此，也使得思維愈加深入地接近數(shù)學(xué)問題的本質(zhì)，而站在更前瞻更高端的數(shù)學(xué)視角求解函數(shù)壓軸題，有助于學(xué)生找到解決數(shù)學(xué)問題的突破口，這既是傳承也是發(fā)展，高中數(shù)學(xué)的課程體系也因此注入了新鮮的活力.

3 教學(xué)啟示

3.1 立足教材，重視基礎(chǔ)

高中數(shù)學(xué)教學(xué)以發(fā)展學(xué)生數(shù)學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生把握數(shù)學(xué)內(nèi)容的本質(zhì)[4].壓軸題往往涉及的知識點(diǎn)較多，把握數(shù)學(xué)問題的核心原理和思想方法，立足于課本教材，將新舊問題串聯(lián)起來，那么問題求解的思路就可以本源化，通過解決基于源問題的新改編試題的過程，促進(jìn)了學(xué)生創(chuàng)新能力和應(yīng)用能力的發(fā)展.夯實(shí)數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)知識，注重常見的圖象，以及作差、放縮和參變分離等方法的運(yùn)用，那么壓軸題的解答也不是片面認(rèn)知中的無中生有而來，而是有跡可循的.

3.2 培養(yǎng)思維，提升能力

壓軸題的命制往往讓人耳目一新，其中蘊(yùn)含了較為巧妙的構(gòu)造思路，既可以利用高中的基本知識進(jìn)行求解，也可以利用高等數(shù)學(xué)的背景進(jìn)行分析，掌握各種解法的優(yōu)化和對比，并將其可取之處滲透在數(shù)學(xué)課堂教學(xué)中，其中包括了數(shù)學(xué)分析、高等代數(shù)等知識均可以有意地融入課堂教學(xué)中.同時(shí)，跨學(xué)科的知識也有助于數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)和解題，這樣才能以數(shù)學(xué)為主線，加強(qiáng)數(shù)學(xué)與其他學(xué)科的聯(lián)系，培養(yǎng)高中學(xué)生數(shù)學(xué)綜合應(yīng)用能力(包含了實(shí)踐能力、猜想能力、化歸能力和反思能力等)，從而促進(jìn)學(xué)生數(shù)學(xué)思維的發(fā)展以及數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)的達(dá)成.

3.3 感悟思想，注重反思

數(shù)學(xué)知識承載著思想方法，領(lǐng)悟數(shù)學(xué)思想，提升核心素養(yǎng)，是數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的根本所在.高中數(shù)學(xué)教學(xué)更多地將目光的聚焦從解題訓(xùn)練與知識講解，轉(zhuǎn)向關(guān)注數(shù)學(xué)反思，即關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的積累.另外，數(shù)學(xué)思想不僅僅只依賴于教師在課堂上的滲透，還需要學(xué)生對數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的感悟，適當(dāng)留白可以給學(xué)生更多的思考空間.數(shù)學(xué)解題是“活”的，對于經(jīng)典的有價(jià)值的數(shù)學(xué)問題，要有批判性的數(shù)學(xué)思維并養(yǎng)成自主思考的學(xué)習(xí)習(xí)慣，這樣才能促進(jìn)學(xué)生發(fā)散思維的提升，實(shí)現(xiàn)對壓軸題的有效解決.

3.4 學(xué)科融合，注重素養(yǎng)

隨著人工智能、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等的迅猛發(fā)展，數(shù)學(xué)的研究得到了更大的拓展空間，這對數(shù)學(xué)與其他學(xué)科的融合提出了更高的要求.數(shù)學(xué)教學(xué)不是孤立地只教數(shù)學(xué)，可以適當(dāng)?shù)厝谌肫渌麑W(xué)科知識形成數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的問題鏈，同時(shí)，也可滲透數(shù)學(xué)文化于數(shù)學(xué)教學(xué)中，推動(dòng)數(shù)學(xué)的人文和科學(xué)價(jià)值的發(fā)展.因此，基于跨學(xué)科的知識背景融入數(shù)學(xué)問題，學(xué)生的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)不斷經(jīng)歷并實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)的“再創(chuàng)造”，也能將壓軸題的研究意義及價(jià)值最大化.