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本科数学竞赛到底能不能融合高中数学竞赛?

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全国大学生数学竞赛的官方边界写得很清楚,非数学专业类初赛考高等数学,决赛考高等数学加线性代数。数学专业类初赛考数学分析、高等代数、解析几何,低年级决赛加常微分方程,高年级决赛再加实变函数、复变函数、抽象代数、数值分析、微分几何、概率论。
这么看的话,非数学类只有高数和线代,所以高中竞赛融合只能是嵌入式的。
举个例题
证明对任意正整数 n
有 (1/(n+1)) + (1/(n+2)) + ... + (1/(2n)) < 4/5。
这是一道典型的高等数学风格的题,但它的精彩之处在于,同一道题可以用多种高中竞赛技法去攻
比如把和式平方,构造适当的数组,利用柯西不等式放缩,再裂项求和。或者令 Tₙ = 1 + 1/2 + ... + 1/n,则原式 = T₂ₙ - Tₙ,通过改写符号、丢弃负数项放缩。或者将和式正写反写相加,利用 (2n-k)(n+1+k) ≥ 2n(n+1) 完成放缩。
一个没经过高中竞赛训练的学生,即便学完了高数,面对这道题也大概率只会用积分放缩(将和式看作从 n 到 2n 的 1/x 积分的黎曼和),得到的界是 ln 2 ≈ 0.693,而 4/5 = 0.8。
题目主体是高等数学,但得分的关键是高中竞赛的技巧。这种融合是非法的吗?不非法,因为柯西不等式、数列放缩本来就是高数里标准的工具。但它确实造成了实质性的不公平,受过高中竞赛训练的学生在面对这类题时有优势。
所以支持方认为,高数题本就应该考查巧思,高中竞赛训练出来的构造能力是数学直觉的一部分。反对方则认为,非数学类参赛者多为工科、经管学生,他们没有机会、也没有必要去学高中竞赛的技巧,如果命题人大量使用这种高数外壳 + 奥数内核的题,等于变相把非数学类变成了隐性竞赛类,违背了非数学类基于理工科高数教学大纲的设定。
另外如果一道非数学类决赛题,表面是求极限,实质是要用嵌入不等式(即三角嵌入不等式 x² + y² + z² ≥ 2yz cos A + 2zx cos B + 2xy cos C)来做,这样的题出现在非数学类里,究竟是高数题还是披着高数外衣的奥数题。这个界限命题组内部也一直有分歧。


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数学专业内容则多得多,在这里面高中竞赛的几乎所有工具都能找到本科归属,这意味着数学专业类的融合可以是原生性的,不是把高中工具嵌入本科题目,而是用本科理论重新审视和升华高中竞赛的经典问题。
举一例题,2020 年 IMO 第二题,实数 a, b, c, d 满足 a ≥ b ≥ c ≥ d > 0 且 a + b + c + d = 1。
证明 (a + 2b + 3c + 4d) aᵃ bᵇ cᶜ dᵈ ≥ aᵃ (b + 3a)ᵇ (c + 3a + 3b)ᶜ (d + 3a + 3b + 3c)ᵈ。
这道题的评注里有一句话非常关键:“这是一个中等偏易的代数题目,且为可以使用微积分处理的不等问题。”
请注意这句话的意味,一道 IMO 题,可以用数学分析里的凸函数、琴生不等式、拉格朗日乘子法来严谨处理。这正是数学专业类融合高中竞赛的最佳范式,在高中竞赛里,这道题需要用巧妙的代数变形和不等式放缩。在数学专业类竞赛里,同样的问题可以用数学分析的凸函数理论来求解,把目标函数取对数,证明其对数是凹函数,然后用琴生不等式。
传统上,数学专业类竞赛的命题是按课程章节出题,这种命题方式的好处是可准备、可预期。但缺点是技巧纯度低。
韦东奕的观点很有代表性,“中学生数学竞赛不是孤立的,而是有机联系的,它至少要与所在学科的中学内容和大学内容有联系,并相互促进”,数学竞赛只是数学的一部分,中学与大学的数学思想应该打通。
而反对的声音说,数学专业类竞赛的定位是激励大学生学习数学的兴趣,它是教学导向的。如果大量出奥数风味的题,会模糊数学专业类与数学奥林匹克的界限,变成选拔赛。数学系学生里,没经过高中竞赛训练的比例不低(尤其是偏远地区、非重点中学上来的学生),融合会造成实质性的不公平。


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