4 | 高校数学の学習法【2】 | (秋山 仁) | ||
(T) | 数学の学習法 | ![]() |
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一番肝心なことは、毎日コツコツと勉強すること。 そして、一冊全て読みきることである。 しかし次の5つのどれかが抜けていても、 良い点数はとれない。 (1) 教科書の内容を理解している。 (基礎知識の充実) (2) 個々の問題特有の本質を見ぬくことが出きる。 (数学的センスをつける) (3) 持てる知識を活かして使える。 (思考力の養成) (4) 計算を速く間違えないでできる。 (計算技術の習得) (5) 色々な解法を知っている。 (テーマ別解法の整理) |
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(U) | 数学的センスとは何か | |||
せっかく勉強しても、数学的センスがないと 検討違いの方針や筋の悪い解答を作ってしまう。 センスの良い解答とは、 その問題の本質を捉えた上手な解法のことをいう。 数学的本質には次のようなものがある。 |
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(1) | 対称性 | |||
自然界には対称性をもつものが、たくさんある。 人の体型、チョウチョやカブトムシ、振り子。 2次関数は線対称。 3次関数は点対称。 方程式が対称式なら、x+y=X、xy=Yとおく。 すなわち対称性があるのに それを無視して守備よく問題を解こうとしても、 それは的外れなのである。 |
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(2) | 次数 | |||
次数が低いほど扱いがやさしい。 つまり、方程式や関数に関する問題を解く際に、 最初に留意すべき点は、 “次数が何次か”ということである。 それによって、解法は異なる。 |
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(3) | 偶奇性 | |||
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ある整数が偶数か奇数かという性質を偶奇性と呼ぶ。 整数問題を解く際、 その整数の偶奇性について注目するのは、 基本中の基本である。 偶奇性に注目すれば、 2.3分で解決する問題を、注目しなかったばかりに30分、 1時間と時間を浪費して、 そのあげく、 1年を棒に振ることになるかもしれない。 ある整数が偶数か奇数かということは、 その数を2で割ったときの余りが 0か1かということに他ならない。 偶奇性を一歩推し進めた概念に剰余というものがある。 すなわち、ある整数をpで割ったときの余りは、 0、1、2、…、p−1のいずれかであるから、 余りに注目すれば解ける問題もたくさんある。 |
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(4) | 単調性 | |||
関数や数列には、単調性という性質がある。 すなわち、x<yなる任意のx、yに対して、 f(x)≦f(y) が成り立つとき関数 f(x)は単調増加である。 関数 f(x)を微分するというのは f(x)の単調性を調べることに他ならない。 また数列{an}の階差an+1−anがすべてのnに対して正ならば、 この数列は単調増加である。 単調性に基づき首尾よく解ける問題は多い。 |
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(5) | 周期性 | |||
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日本の四季は春、夏、秋、冬の順に毎年繰り返される。 心電図や脳波も曲線も周期的である。 このように、自然界や数学の中には、 周期性が繁雑に現れるのである。 例えば、ある整数をpで割ったときの余りは、 0、1、2、…、p−1、0を周期的に繰り返えすのである。 3角関数y=sinx, y=cosx, y=tanx などは、 周期関数の典型である。 グラフを描いても周期的になっている。 そして周期性を見抜くことは、 先を予測することにもつながる。 |
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(6) | 関数に関するその他の大切な性質 | |||
連続性、 微分可能性、 凹凸性 などの3つの性質は きわめて大切である。 |
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(7) | ベクトルの1次独立性 | |||
2つのベクトル→a,→b、(→a,→b、≠0)が与えられたとき、 それらが互いに平行か否かを見極めるべきである。 平行でないときは互いに1次独立であるといい、 そうでないときは1次従属であるという。 1次独立ならば、 平面上のどんなベクトル→pに対しても、 →pは、→p=α・→a+β・→b (α、βはある実数)という形に、 ただ1通りの方法で表せるのである。 このことに基づき、 多くのベクトルや図形の問題が解けるのである。 |
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(8) | 変換の線形性 | |||
1次変換、微分、積分などには線形性という便利な性質がある。 すなわち微分や積分において、 {αf(x)+βg(x)}’=αf’(x)+βg’(x) ∫{αf(x)+βg(x)}dx = α∫f(x)dx+β∫g(x)dx が成り立つ。 線形性を一言で表現するならば、 ある大きな荷物A(=α・□+β・△)を fによってどこかに送るとき、 Aをバラバラに解体しておいて、 □をα個、△をβ個を別々にfによって送り、 送られた場所で組み立てても 全く同じものf(A)ができることを意味している。 この有り難い性質をフルに利用することが 問題をスムーズに解くことにつながる。 |
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(9) | 変数と定数の識別 | |||
文字xが式や関数の中にあるとき、 それが変数なのか、定数なのかを識別しなければならない。 同様なことが平面上、あるいは空間内の点Pについてもいえる。 点Pが動点か、定点なのかは事態を大きく左右する。 難問を上手に解く方法の一つは、 変数をある時点で固定して(定点とみなし)、 その後、再び変化させる方法である。 またΣ(和をとる)、 f '(fを微分する)、 ∫(積分する)、 lim(極限をとる) などの記号がある。 これらは、どれも何を変数とみるかということが大切である。 すなわち、どの変数について “和をとる”、 “微分する”、 “積分する” または“極限をとる” のかを見極めないと 論点がボケてしまうのである。 |
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(10) | 未知数の個数と方程式の本数の大小 | |||
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連立方程式において、 未知数の個数αと 本質的に異なる方程式の本数βの 大小に注意しなければいけない。 例として、次の連立方程式について考えよう。 X+2Y = 5 … @ 2X+4Y = 10 … A 上で本質的に異なる方程式の本数と書いたのは、 次の意味である。 Aの式は@×2より導けるので、 方程式の本数βは1であり、 未知数はX、Yの2個なのでα=2である。 αとβの大小には次の3つの場合が考えられる。 α>βのときは、解が無数に存在する。(不定) α<βのときは、解が1組も存在ぜず。(不能) α=βのときは、ちょうど1組の解が存在する。 |
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(11) | むすび | |||
他にも、方程式と恒等式の違い。 扱っている集合の要素の個数が 有限個なのか無限に存在するのか。 考慮している世界が1次元(直線上)なのか、 2次元(平面上)なのか、 3次元(空間)なのかを 捉えることなども重要である。 なにはともあれ、 センスの良い解答を作るためには、 問題文を読んで、 その問題には上述のどのような性質が 潜んでいるかを的確に把握し、 その性質が解決の糸口になるのだ ということを忘れてはいけない。 |
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(V) | 考え方を身につけよう。 | |||
数学の問題を解くために一番重要なことは、 何といっても考える力である。 つまり、定理や解法を全て暗記したとしても、 試験で良い点数がとれる保証などない。 すなわち知識をもっていても、 問題が解けるとは限らないのである。 授業を聞いて先生の話しがよく理解できることや、 本を読んで内容をよく理解できることと、 試験で良い点数がとれることとは必ずしも一致しない。 すなわち、“物事を理解する力”と “問題を解決する力”とは 異なるのである。 授業や本で勉強するとき、 次の具体的なことに常に留意しなければならない。 1 先生(本の著者)は、どのようにして、 その解法を思いついたのか。 2 先生(本の著者)は、 どのような理由で式を変形したのか。 3 他に、もっと良い解法はないか。 4 自分の解法では、なぜうまくいかなかったのか。 5 問題のどの点がその問題を難しくしているのか。 すなわち、その問題(の条件など)を少し変えれば解けるのか。 6 知識(定理や公式)がなくて解けなかったのか。 以下に、より具体的な形で 問題解決のための“考え方”を書く。 |
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(1) | 規則性やパターンを見出せ | |||
難問に直面したとき、 どこから手をつけていけばよいか、 不明なことがよくある。 そういうときは、簡単で特別な場合だけでも、 片っ端から調べてみる。 具体的に手を動かすうちに、 問題の構造が分析できたりする。 “対称性”“単調性”“周期性”が 浮き彫りにされることがよくある。 |
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(2) | 処理しやすくする工夫をする | |||
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(a)図、グラフ、表、流れ図、樹形図 などを書き、視覚に訴える。 (b)答案用紙、下敷き、鉛筆、消しゴムなどを利用し、 具体的に状況を実現する。 時には、消しゴムを切り、 4面体、立方体、直方体、8面体を作り、 考えやすくする。 (c)補助線、補助色などを利用する。 立った1本の補助線で鮮やかに解けた あの快感を忘れるな。 (d)問題をより易しい問題にすり替える。 (e)具体化せよ。 例えば、Σkという抽象的な記号よりも、 1+2+3+…+n としたほうが分かり易い。 |
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(3) | 分類したり、整理して考える。 | |||
物事をいろいろな見地に立って整理することが、 その問題の背後に潜むカラクリを解き明かすのである。 ある命題を証明するのに、 “場合分け”の戦略を使う。 これはまずコマ切れにし、 その1つ1つのコマ切れを食べやすくしておいて、 最終的には全部を片付けてしまうという方法である。 (a)場合分けの必然性がある時の場合分け 整数問題のとき、 整数nの偶奇によって場合分けしたり、 2つのベクトル→a,→bを扱う問題において、 →aと→bが1次独立であるか否かで場合分けをする。 これらは、場合分けをしなければ、 議論が続かなくなるのである。 だから、「議論の展開が変わる分岐点はどこか」 ということに注意しなければならない。 (b)上手な場合分けをする 場合分けの鉄則は、 全ての場合を尽くすことにある。 すなわち“モレ”があってはいけない。 [1]対称性を考慮し、 できるだけ少ない場合に分ける。 [2]“であるとき”と“でないとき”というふうに、 排反なペアーに組んで場合分けをする。 [3]樹形図を利用して、場合分けをする。 (c)易しい場合から順に決着をつけ、 すでに証明した場合の結果を利用する場合分け |
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(4) | どんな証明法を選ぶか | |||
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(a)証明問題のときは、 証明すべき結論を念頭において解答を作れ (b)対偶を証明せよ “P→Q”を示すのが困難なときは、 対偶命題“-Q→-P”を示せば良い。 (c)背理法のテクニックを習得せよ。 当たり前のことや、 証明の手掛かりがない問題を証明するとき、用いる。 証明が終結するのは、 何らかの矛盾が生じたときである。 しかし、背理法の達人になるには、 矛盾を仕留める罠の仕掛け方 を覚えなくてはならない。 (d)帰納法の使い方をマスターせよ 無数にある命題群Pnを いっきょに証明してしまおうという武器が 帰納法という証明法である。 原理はドミノ倒しと同じである。 (e)逆戻りせよ 最終の目的地(結論)にたどり着くためには、 その目的地から逆の道筋にたどっていくのが 最良の方法なのである。 |
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(5) | 効果的な記号や座標を導入せよ | |||
数学とは抽象化の学問だという見地からいえば、 記号はその際たるものである。 エキスパートになるにはうまい記号を導入し、 記号をロボットに見立てて、 このロボットを縦横無尽に活躍させ、 簡単に問題を解こうという作戦を考える。 また、適切な座標系を導入することも肝心で、 その多くは対称性に起因している。 |
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(6) | 問題文から解法のカギを割り出せ | |||
limΣ・1/nが出てきたら、きっと定積分にもち込むだろう。 和と積の関係を論ずる問題にぶつかれば、 まず相加・相乗平均の関係が使えないか調べるだろう。 このように、問題文から解法に必要な 道具(カギ)[定理や公式、原理など]が 割り出せると、 それらの道具を使って、 推論を進めたり、 式の変形をすることが首尾よくできる。 |
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(7) | 出題者の誘導にのれ | |||
問題の中には、 いくつかの小問に分かれている問題がある。 これは出題者が、 受験生にいきなり解かせるのは難しいと判断して、 問題を段階的に分割して、 そのステップを踏んで解いていけば、 必然的に解決するように 意図していることが多いのである。 |
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(8) | 最短距離の解法を探れ | |||
例えば、nが自然数で奇数なら、 ∫a-a Xn dx=0 偶数なら、 ∫a-a Xn dx=2 ∫a0 Xn dx を利用するのは、積分のときの鉄則である。 対称性をうまく利用して、 面倒な計算を飛躍的に短縮で来ることもある。 入試という限られた時間内で 問題を解かなくてはならない者にとって、 計算の手間をはぶく、 さまざまな手法、 考え方を身につけることは きわめて大切である。 |
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