修订 | 拓广思维,让数学不再高冷

2019.8.7 对1处公式修订了错误, 删除了第2题的第3种解法, 感谢 @方豪 老师指正.
作者秋然然,四川省内江市第六中学。本文参与遇见数学#数学蒲公英#第2次征文活动,参与链接请点击这里.
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在我们的数学学习中,把每道题思路都学会是我们每个人都应该做到的,而在做的过程中我们能否突破常规,用自己的思路,自己的经验,自己的知识为数学题打开另一条“路”?
“举一隅不以三隅反,则不复也。” 《论语·述而》

举一反三,在数学上即为“推广”,在我们做题中这种举一反三的思想固然重要,但是在这过程中,我们很容易就形成了思维定势。

思维定势,也称惯性思维,它是由一定的心理活动所形成的准备状态,对以后的感知、记忆、思维、情感等心理活动和行为活动起正向的或反向的推动作用。

▌怎样创新?
在数学史上的创新有许许多多:

对数的发明
虚数的创造
非欧几何
矩阵代数
微积分
......
还有一些创新出来的方法与结论:
均值不等式

(

,但且仅当

时取等)

对数均值不等式

对数均值不等式可以说是在均值不等式上的一个创新,在此基础上,不仅可以为我们解题带来便捷,而且在近几年高考导数压轴题也算一个秒杀技巧吧。
在我们做题过程中不仅要做到做一题会十题,还要做到通过换一种思路来一题多解,即创新,换个思路想问题。

有个经典的实验;把六只蜜蜂和同样多的苍蝇装进一个玻璃瓶中,然后将瓶子平放,让瓶底朝着窗户。结果发生了什么情况?蜜蜂不停地想在瓶底上找到出口,一直到它们力竭而饿死;而苍蝇则会在不到两分钟之内,穿过另一端的瓶颈逃逸一空。由于蜜蜂基于出口就在光亮处的思维方式,想当然地设定了出口的方位,并且不停地重复着这种合乎逻辑的行动。可以说,正是由于这种思维定势,它们才没有能走出囚室。而那些苍蝇则对所谓的逻辑毫不留意,全然没有对亮光的定势,而是四下乱飞,终于走出了囚室,

我们在做题的时候,就如“蜜蜂”一样,只会根据“阳光”找“出口”,从而困在“瓶子”里,但如果我们像“苍蝇”一样,不局限于“阳光”,从多个方面寻找“出口”,才能走出困境。

接下来我们来看两到例题,体验创新的简便。

▌射球问题
一足球场长60米,宽40米,球门长10米,在窄边正中间假设一名球员在下边线上射球,假设无其他干扰,问在何处射球最佳?

首先我们根据实际问题数学模型,转换问题:

其实题目就是问我们动点

在何处时

最大。

▌三角函数?平面几何?
对于一名普通高中生来说,看到这道题的第一想法就是用一个函数来表示

,便有了以下标准的解法:

然后用均值不等式便可求出其最值:

根据其单调性可知即

时,角度最大。此时

,即

时成立。

这样的方法应该是每个高中老师所教授的方法,而且老师希望每位同学都要学会。但是从宏观角度来看,这本是一道几何题,却用代数的方法解决了,那此题是否能换一个思路,用几何的方法解决呢?

稍微涉猎广泛一点的同学就会了解到一个定理叫米勒定理

首先介绍一下米勒定理:
在点

运动过程中,

会在

的外接圆与

相切时最大

其证明也很简洁,以下是此新方案所引用的定理证明:

证明:当

的外接圆与

相切于点

时,在

上任取异于

的一点,因为

是圆周角,

是圆外角,所以

,则

最大。

由此可见此题还可用平面几定理进行作答:
∵ 相切
∴ 根据切割线定理有:

由定理便可直接得到

时射门最佳。

由米勒定理得到的解答可谓是无脑秒杀,但是在当代高中数学教育中,平面几何并不是高考所要求学的类容,所以大多数老师并不会讲这种方法,毕竟高中教学必须以高考为宗旨。这也使得许许多多的创新方案被老师所教的定势思维所遏制。

我们再来看一道看似简单实则很难的比较大小的题

▌谁大谁小?
比较大小:(1)

(2)

第一道题感觉应该要构造一个函数

刚好可以把题目中的两个数的大小比较转化成

的大小比较,通过去计算

的导函数并令其等于 0 便可计算出

的极值点,便可算出其单调区间。

显然可以得出

▌创新难,不创新更难!
我们来看看第二道题:

通过我们对第一题的理解,是否这道题也要构造函数呢?我们可以有以下思路:

方法一:构造函数

刚好可以构造出两个要比较大小的数

,但是此时令

导函数等于零并不好解,不容易算出其单调区间:

这就是我们被第一道题的思维所干扰得到的定势思路,但是我们可以在有条件的情况下用计算机绘制图像:

在计算机的帮助下问题很快便能够得到解决。

但是是否有更好的思路呢?(不用作图软件)

▌做差也是创新?
对于比较大小的问题我们除了构造函数法,还可以用作差法来与零进行比较。在计算器的计算下我们可知:

可见他们做差后与零比较有点难。

方法二:如果我们把这个差放大也许对放大后的差与零的比较更为容易,不妨我们把差值放大七倍:

但是第二种方法要放大的七倍并不容易想出来,而且计算量特别大,所以这种方法还不够完美。

思维拓广是学好数学的一大关键性因素,其实数学原本丰富多彩,答案也亦丰富多彩,只是需要你善于换个思维看问题。(完)

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