BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH
Nguyễn Thị Trà My
HÀM SỐ NGƯỢC TRONG DẠY HỌC TOÁN Ở TRƯỜNG PHỔ THÔNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ GIÁO DỤC HỌC
Thành phố Hồ Chí Minh – 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH
Nguyễn Thị Trà My
HÀM SỐ NGƯỢC TRONG DẠY HỌC TOÁN Ở TRƯỜNG PHỔ THÔNG Chuyên ngành: Lý luận và phương pháp dạy học bộ môn Toán Mã số: 60 14 01 11
LUẬN VĂN THẠC SĨ GIÁO DỤC HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. VŨ NHƯ THƯ HƯƠNG
Thành phố Hồ Chí Minh – 2014
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là một công trình nghiên cứu, những trích dẫn nêu trong luận văn đều chính xác và trung thực.
Nguyễn Thị Trà My
MỤC LỤC Trang phụ bìa
Trang
3.3. Nội dung thực nghiệm ……………………………………………………………………. 48 3.3.1. Giới thiệu tình huống thực nghiệm …………………………………………….48 3.3.2. Dàn dựng kịch bản …………………………………………………………………..48 3.4. Phân tích tiên nghiệm …………………………………………………………………….. 58 3.4.1. Biến và các giá trị của biến ……………………………………………………….58 3.4.2. Các chiến lược và cái có thể quan sát được …………………………………59 3.4.3. Phân tích kịch bản ……………………………………………………………………66 3.5. Phân tích hậu nghiệm …………………………………………………………………….. 71 3.5.1. Tình huống 1 …………………………………………………………………………..71 3.5.2. Tình huống 2 …………………………………………………………………………..78 3.6. Kết luận………………………………………………………………………………………… 85 KẾT LUẬN …………………………………………………………………………………………….. 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………………………………………. 89 PHỤ LỤC
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt
Chữ viết đầy đủ
CL
: Cả lớp
GT1
: Giải tích 1
GT2
: Giải tích 2
GV
: Giáo viên
HS
: Học sinh
N
: Nhóm
SBT
: Sách bài tập
SGK
: Sách giáo khoa
SGK6-2
: Sách giáo khoa Toán 6 tập 2
SGK9-1
: Sách giáo khoa Toán 9 tập 1
SGV
: Sách giáo viên
SGV6-2
: Sách giáo viên Toán 6 tập 2
TCC
: Toán cao cấp
Tr
: Trang
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Thống kê một số tính chất cơ bản của hàm số mũ ……………………30 Bảng 3.1. Thống kê bài làm của HS ở câu 3 phiếu 1 ………………………………72 Bảng 3.2. Thống kê một số kỹ thuật được các nhóm sử dụng …………………..79
1
2
3
4
niệm hàm số ngược lên việc học hàm số, phương trình mũ và lôgarit. Kết quả nghiên cứu mối quan hệ thể chế sẽ cho phép chúng tôi trả lời câu hỏi Q2. Chương 3. Nghiên cứu thực nghiệm Chúng tôi tiến hành nghiên cứu thực nghiệm bằng việc xây dựng một đồ án didactic. Đối tượng thực nghiệm là học sinh lớp 12 sau khi đã học xong khái niệm hàm số mũ và hàm số lôgarit. Mục đích của việc xây dựng thực nghiệm là nhằm giúp HS nhận biết được một công cụ mới trong việc giải phương trình từ đặc trưng của hàm số ngược.
5
6
Chương 7: Các hàm số thông dụng. Chương 8: So sánh các hàm số trong lân cận một điểm. … Chúng tôi quan tâm đến chương 4 và chương 7 của giáo trình này vì khái niệm hàm số ngược được trình bày trong chương 4, còn một số cặp hàm số ngược nhau lại được giới thiệu trong chương 7 (chúng tôi sẽ đề cập sau). Trước tiên, chương 4 gồm các mục như sau: 4.1 Đại số các hàm. 4.2 Giới hạn. 4.3 Tính liên tục. Khái niệm hàm số ngược được trình bày trong mục 4.3 – Tính liên tục, với trình tự như sau: 4.3.1 Định nghĩa. 4.3.2 Các phép toán đại số trên các ánh xạ liên tục. 4.3.3 Liên tục trên một khoảng. 4.3.4 Tính liên tục trên một đoạn. 4.3.5 Ánh xạ ngược. 4.3.6 Tính liên tục đều. 4.3.7 Ánh xạ Lipschitz. Giáo trình GT1 dùng tiêu đề là “ánh xạ ngược”, nhưng trong phần định nghĩa lại trình bày ở trang 130 như sau: “Với ánh xạ 𝑓: 𝐼 → ℝ đã cho, ta chú ý đến sự tồn tại của hàm ngược của f. Trước hết, ta hạn chế 𝑓 vào ảnh của nó, bằng cách thay 𝑓 bởi ánh xạ: 𝑓̃: 𝐼 → 𝑓(𝐼) ; 𝑥 ↦ 𝑓(𝑥)
theo cách xây dựng, rõ ràng 𝑓̃ là toàn ánh.
Nếu 𝑓̃ là song ánh, ta nói 𝑓 có một hàm ngược, đó là 𝑓̃ −1 : 𝑓(𝐼) → 𝐼 hay theo cách
lạm dụng ngôn từ, ánh xạ 𝑓(𝐼) → ℝ
𝑦 ↦ 𝑓̃ −1 (𝑦)” [GT1, tr.130].
7
Nhận xét: – Khái niệm hàm số ngược được GT1 định nghĩa dựa trên nền kiến thức về ánh xạ và song ánh. Có thể thấy rằng, GT1 dùng tiêu đề là “ánh xạ ngược” mà trong định nghĩa lại gọi là “hàm ngược”. Vậy, GT1 dùng một định nghĩa mà trình bày về hai khái niệm “ánh xạ ngược” và “hàm ngược”. Tại sao GT1 lại không có sự phân biệt giữa hai khái niệm này? Chúng tôi tìm thấy câu trả lời từ phần trích dẫn sau đây: “Trong các mục 4.2 và 4.3, I chỉ một khoảng của ℝ không rỗng và cũng không thu về một điểm” [GT1, tr.107].
Như chúng ta đã biết, ánh xạ mà được xét trên tập hợp số thì được gọi là hàm số. Vì thế, trong định nghĩa ánh xạ 𝑓: 𝐼 → ℝ cũng chính là hàm số 𝑓. Có thể do đó mà tác
giả dùng một định nghĩa để nhằm thể hiện cả hai khái niệm cùng bản chất “ánh xạ ngược” và “hàm ngược”. Vậy, tại sao tác giả chỉ định nghĩa hàm số ngược của những hàm số xác định trên một khoảng không suy biến? Chúng tôi sẽ tìm câu trả lời cho câu hỏi này trong phần phân tích tiếp theo. – Chúng tôi cũng thắc mắc rằng: tại sao tác giả không dùng ngay ánh xạ f để định nghĩa ánh xạ ngược mà phải xét đến ánh xạ 𝑓̃?
Phải chăng việc tác giả thu hẹp ánh xạ f vào ảnh của nó để chúng ta thấy rằng: khi cùng một “quy tắc” f, nhưng tùy vào tập xác định và tập giá trị mà f có thể có hoặc không có ánh xạ ngược. + Nếu tập xác định và tập giá trị làm f thỏa điều kiện song ánh thì f có ánh xạ ngược.
+ Nếu tập xác định và tập giá trị làm f không thỏa điều kiện song ánh thì f không có ánh xạ ngược. – Định nghĩa trên cũng thể hiện một cách tường minh điều kiện để một ánh xạ có ánh xạ ngược, đó chính là điều kiện song ánh. Hơn nữa, ánh xạ ngược cũng là ánh xạ song ánh. Và chú ý sau có thể là nhằm nhấn mạnh thêm một lần nữa về điều kiện song ánh: “Ta chú ý rằng một ánh xạ không liên tục 𝑓 vẫn có thể có ánh xạ ngược. Ví dụ ánh
8
xạ 𝑓: [0; 1] → [0; 1] xác định bởi:
1 𝑛ế𝑢 𝑥=0 𝑓(𝑥) = � 𝑥 𝑛ế𝑢 0 < 𝑥 < 1 � là song ánh, nhưng không liên tục trên [0;1]”. 0 𝑛ế𝑢 𝑥=1
[GT1, tr.130]
Như vậy, có thể chú ý trên ngầm nhấn mạnh rằng: điều kiện cần và đủ để một hàm số có hàm ngược là điều kiện song ánh, còn hàm số đó có liên tục hay không, cũng không quan trọng. – Từ định nghĩa ta cũng có thể thấy được mối quan hệ qua lại giữa tập xác định và tập giá trị của hai hàm số ngược nhau: + Tập xác định của hàm 𝑓̃ là tập giá trị của hàm ngược 𝑓̃−1 .
+ Tập giá trị của hàm 𝑓̃ là tập xác định của hàm ngược 𝑓̃−1 .
– Từ định nghĩa ta thấy rằng: với mọi 𝑥 ∈ 𝐼 và 𝑦 = 𝑓̃(𝑥) thì: 𝑓̃−1 (𝑦) = 𝑓̃−1 (𝑓̃(𝑥) = 𝑥.
Sau đó, tài liệu GT1 trình bày ngắn gọn về tính chất đồ thị của hàm số ngược như sau: “Trên một mặt phẳng afin Euclide định hướng 𝑃, với hệ quy chiếu trực chuẩn (𝑂, �⃗, 𝚤 𝚥⃗), các đường
cong biểu diễn (𝐶) của 𝑓 và (𝐶 ′ ) của 𝑓̃ −1 đối xứng với nhau qua đường phân giác thứ nhất 𝐵1
vì:
𝑀(𝑥, 𝑦) ∈ (𝐶) ⇔ 𝑀′ (𝑦, 𝑥) ∈ (𝐶 ′ )”[GT1, tr.130].
Như vậy, đồ thị của hai hàm số ngược nhau đối xứng với nhau qua đường phân giác thứ nhất. Mặc dù tính chất trên không được chứng minh một cách rõ ràng và cũng không có bất kỳ ví dụ minh họa nào, nhưng với giải thích ngắn gọn: “M(x, y) ∈ (C) ⇔ M'(y, x) ∈ (C’)” và hình vẽ minh họa ta có thể thấy rằng hoành
độ của điểm M là tung độ của điểm M’ và ngược lại. Với tính chất trên, ta có thể áp dụng để vẽ đồ thị của hàm số ngược. Tức là đồ thị của hàm f-1 nhận được từ đồ thị của hàm f bằng cách lấy đối xứng qua đường y = x. Và một điều quan trọng mà ta có thể suy ra từ tính chất này, đó chính là giao điểm của hai đồ thị này (nếu có) sẽ
9
luôn nằm trên đường thẳng 𝑦 = 𝑥. Điều này sẽ giúp ích trong việc
giải phương trình khi mà hai vế chính là hai hàm số ngược nhau, vì 𝑓 (𝑥) = 𝑓 −1 (𝑥) ⇔ 𝑓 (𝑥) = 𝑥 ⇔ 𝑓 −1 (𝑥) = 𝑥. Thật vậy, + Ta có: 𝑓 (𝑥) = 𝑓 −1 (𝑥) ⇒ 𝑓ₒ𝑓 (𝑥) = 𝑥
Nếu 𝑥 < 𝑓(𝑥) thì 𝑓 (𝑥) < 𝑓ₒ𝑓 (𝑥) = 𝑥 (mâu thuẫn)
Ta được: 𝑓 (𝑥) = 𝑓 −1 (𝑥) ⇒ 𝑓 (𝑥) = 𝑥.
+ Ngược lại, ta có: 𝑓 (𝑥 ) = 𝑥 ⇒ �
(chứng minh tương tự đối với trường hợp: 𝑓 (𝑥) = 𝑓 −1 (𝑥) ⇔ 𝑓 −1 (𝑥) = 𝑥)
Sau đó, giáo trình GT1 ngầm thể hiện một số tính chất của ánh xạ ngược từ định lý sau đây: “Định lý: Cho I là một khoảng của ℝ, 𝑓: 𝐼 → ℝ là một ánh xạ; ta ký hiệu: 𝑓̃: 𝐼 → 𝑓(𝐼) 𝑥 ↦ 𝑓(𝑥)
𝑓(𝐼) là một khoảng 𝑓̃ là song ánh
𝑓̃ −1 đơn điệu nghiêm ngặt cùng chiều với 𝑓 𝑓̃ −1 liên tục trên 𝑓(𝐼)” [GT1, tr.131].
Định lý này chính là yếu tố công nghệ – lý thuyết giải thích cho kỹ thuật 𝜏𝑠𝑠𝑠𝑠 á𝑛ℎ1 (xem trong phần tổ chức toán học của mục này). Đến đây, có thể thấy
rằng lý do mà tác giả chỉ định nghĩa hàm số ngược của những hàm số xác định trên
một khoảng không suy biến và xây dựng khái niệm hàm số ngược sau khái niệm hàm số liên tục đó là vì: tác giả muốn chứng minh một tính chất quan trọng “ảnh ngược liên tục của một khoảng là một khoảng”.
10
Định lý này cũng ngầm ẩn thể hiện một tính chất quan trọng là: “Nếu ánh xạ f đơn điệu nghiêm ngặt thì ánh xạ ngược f-1 (nếu có) cũng đơn điệu nghiêm ngặt cùng chiều với f” (từ mục 3). Tức hàm số ngược bảo toàn tính đơn điệu nghiệm ngặt của hàm số ban đầu. Và mục 4 cho thấy, hàm số ngược cũng bảo toàn tính liên tục của hàm số ban đầu. Chúng tôi nhận thấy, trong chương 7 – CÁC HÀM SỐ THÔNG DỤNG, có đề cập một số cặp hàm ngược nhau như: + Hàm lôgarit và hàm mũ. + Hàm số hypebôlic và hàm số hypebôlic ngược. + Hàm lượng giác thuận và hàm lượng giác ngược. Tuy nhiên, ở đây chúng tôi chỉ quan tâm đến một cặp hàm ngược nhau là: hàm lôgarit và hàm mũ vì cặp hàm này được trình bày tường minh trong SGK Toán phổ thông còn những hàm ngược kia thì không được đề cập. Trong chương 7, tác giả giới thiệu về hàm lôgarit và hàm mũ thông qua ba mục như sau: – 7.1 Hàm lôgarit nêpe. – 7.2 Hàm mũ. – 7.3 Hàm lôgarit và hàm mũ cơ số a. Ở đây, tác giả định nghĩa hàm lôgarit nêpe dựa trên khái niệm tích phân: “Hàm lôgarit nêpe, ký hiệu là ln, là ánh xạ từ ℝ∗+ vào ℝ định nghĩa như sau: 𝑥 𝑑𝑑
∀𝑥 ∈ ℝ∗+ , 𝑙𝑙𝑙 = ∫1
𝑡
” [GT2, tr.3].
Sau khi đưa ra một số tính chất của hàm lôgarit nêpe, giáo trình GT2 trình bày về hàm mũ (hàm mũ ở đây ý nói đến hàm mũ cơ số e) như sau: “Vì ánh xạ 𝑙𝑙: ℝ∗+ → ℝ liên tục, tăng nghiêm ngặt, và vì 𝑙𝑙𝑙0+ 𝑙𝑙 = −∞,
𝑙𝑙𝑙+∞ 𝑙𝑙 = +∞, nên ánh xạ 𝑙𝑙 có ánh xạ ngược (xem 4.3.5, Định lý, Tập 1), ánh xạ ngược này được gọi là hàm mũ, ký hiệu là 𝑒𝑒𝑒: ℝ → ℝ∗+ .
Như vậy ta có: ∀(𝑥, 𝑦) ∈ ℝ × ℝ∗+ , 𝑦 = exp 𝑥 ⇔ 𝑥 = ln 𝑦” [GT2, tr.5].
11
Vậy, hàm mũ (cơ số e) được định nghĩa là hàm ngược của hàm lôgarit nêpe. Định nghĩa cho ta một ví dụ tường minh để minh họa cho kỹ thuật chứng minh một hàm số có hàm ngược. Với cơ sở ánh xạ ngược và hàm lôgarit nêpe đã biết, các tính chất của hàm mũ được giới thiệu ngay sau nhận xét: “Các tính chất sau đây suy ra từ các tính chất tương ứng của hàm lôgarit nêpe” [GT2, tr.5], mà không cần chứng minh.
Tính chất đồ thị của hai hàm: hàm lôgarit nêpe và hàm mũ cơ số e được tác giả trình bày ở cuối mục 7.2 – hàm mũ này mà không chứng minh gì như sau: “Đường cong biểu diễn hàm số 𝑥 → 𝑒 𝑥 là hình đối xứng của đường cong biểu diễn hàm số 𝑙𝑙 đối với
đường phân giác thứ nhất (trong một hệ quy chiếu trực chuẩn)” [GT2, tr. 6].
Từ tính chất đồ thị của hai hàm số ngược nhau đã trình bày ở giáo trình GT2, tác giả dễ dàng đưa ra nhận xét trên vì hàm lôgarit nêpe và hàm mũ cơ số e là hai hàm số ngược nhau. Tương tự, hàm lôgarit cơ số a được định nghĩa trước (dựa trên khái niệm ln), rồi đến hàm mũ cơ số a như sau: “Hàm lôgarit cơ số a, ký hiệu là 𝑙𝑙𝑙𝑎 , là ánh xạ từ ℝ∗+ vào ℝ được xác định như 𝑙𝑙𝑙
sau:∀𝑥 ∈ ℝ∗+ , 𝑙𝑙𝑙𝑎 𝑥 = 𝑙𝑙𝑙” [GT2, tr.7].
“Hàm mũ cơ số a, ký hiệu là 𝑒𝑒𝑒𝑎 , là ánh xạ từ ℝ vào ℝ∗+ ngược với ánh xạ 𝑙𝑙𝑙𝑎 . Như vậy ta có:∀(𝑥, 𝑦) ∈ ℝ × ℝ∗+ , (𝑦 = 𝑒𝑒𝑒𝑎 𝑥 ⇔ 𝑥 = 𝑙𝑙𝑙𝑎 𝑦)” [GT2, tr.8].
Như vậy, hàm mũ cơ số a cũng được định nghĩa là hàm ngược của hàm lôgarit cơ số a. Vì vậy, các tính chất của hàm này cũng dễ dàng được suy ra từ các tính chất của hàm lôgarit cơ số a đã biết: “Từ các tính chất của hàm mũ (xem 7.2), hoặc các tính chất của hàm lôgarit cơ số a (xem 7.3.1) dễ dàng suy ra” [GT2, tr.8].
Như vậy, trong giáo trình GT2, hàm mũ được định nghĩa là hàm ngược của hàm lôgarit (cùng cơ số). Vì thế hàm số ngược đóng vai trò công cụ để định nghĩa hàm mũ và là cơ sở để suy ra một số tính chất của hàm mũ từ hàm lôgarit. Có thể thấy