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数学的美那可不得了,美在什么呢?美在它的对称和谐,美在它的跌宕起伏,美在它的波澜壮阔,美在它的茅塞顿开,美在它的一题多解,美在它的多题一解,甚至美在它的小题大做。
其实数学远不止这些,它与现实生活也是密切相关的,它的应用非常广泛。先不说具体的现实生活,先说说数学与美术。达?芬奇有一幅著名的画《最后的晚餐》,我通过研究发现,这幅画竟然是用数学的远近法原理来画的。那个远近法原理,是要有一个基点的,那个基点,恰好就在耶稣的两只眼睛上,所以你看达?芬奇,既是一个画家,又是一个很著名的数学家。还有一幅很著名的画,叫《清明上河图》,这幅画给人的感觉是,看见树木便现森林,看见河流便现大海,你知道利用了什么原理来画的吗?它也是用数学远近法原理来画的。我们知道现实生活中,经常提到一个词“黄金分割”,什么叫黄金分割呢?它是数学上的一个非常独特的数据,这个数据是这样来的:一个矩形,如果它的宽和长相比,得出的数据是0?618,这个矩形看上去就最好看,而且这个矩形的结构最合理。于是把0?618这个数,就叫黄金分割数。0?618这个数挺好玩的,把它放到分母上,分子是1,结果恰好是1?618。这个黄金分割在现实生活中有广泛的应用,包括在一些优选法中,这个数字太活跃了。我问大家一个问题,为什么女孩愿意穿高跟鞋呢?大家可能感觉穿上高跟鞋漂亮,但是漂亮的原因是什么呢?有些人说穿上高跟鞋,走起路来那种风姿绰约的感觉挺动人,还有一种飘飘欲仙的感觉。其实不是这样的,女孩穿高跟鞋好看的原因就是一个,实现了黄金分割。就是说一个人,如果她的上半身和她的身高之比,能够达到0?618的话,效果是最好的。但是一个人的上半身和她的身高之比,往往达不到0?618,如果穿上高跟鞋,高度一增加,上半身和身高的比,恰好能达到0?618,她的体形看上去就特别和谐,视觉的冲击就特别大。有这样的一个题目,好像看似不太可能,其实就是一个数学问题。你看一张纸,我对折一次,纸就变厚了,厚度增加了1倍,我对折两次,它的厚度是原来的4倍,我再对折一次,这张纸厚度成倍增长。我问个问题,要是把这张纸对折64次的话,这张纸的厚度有多高?大家可以放开去猜,胆子有多大,都可以猜。我告诉你一个让你感觉不太可能的数据,这个高度恰好是地球到月亮的高度,就这么厉害。所以你看,我们国家研发神六、神七到太空去探月,其实我上太空吧,不用这一套,我拿这一张纸,折叠64次,我就上去了。我这个数不是虚的,你可以用等比数列算出来。数学的这种超凡脱俗的美,确实令人震撼,每一个喜欢数学的人,我相信都能够体会到。对称就是体现数学的和谐之美的一个方面,像北京这个城市,天安门、故宫在它的中轴线上,东西依次相互展开,形成了一个非常和谐的城市。在2008年奥运会上大家看到,焰火顺着中轴线,一步一步到鸟巢,也是落在中轴线上。数学的跌宕起伏之美,体现在它对一个人思维跨度的要求,特别是当你在苦苦思索中,突然眼前一亮,找到了解题的思路,那种对灵魂的巨大冲击,可以让一个人心情久久难以平静。
再有就是茅塞顿开之美,凡是比较好的数学题目,往往都稍有些难度,当我们通过认真思考,突然找到它的答案,就会感受到一种豁然开朗的美。
还有它的一题多解之美,有时候一个看似很平常的题目,但是可以找出七八种解法,而且每一种解法都隐含着一个非常美妙的技巧。
再一个就是多题一解之美,数学可谓题海无边,但是只要注意归纳,就会发现,数学中的许多题目都是可以归类的,万变不离其宗。
还有小题大做之美,本来这个题目看似很小,但是就像一个金矿的入口一样,背后潜藏着一个巨大的金矿,你一旦把窗和门打开,在你面前就是一座宝藏。在教学中有些内容,按照教学大纲的要求,可能只讲一节课,但我可以就这个问题,展开讲一周,甚至讲好几周。因为这个题,引发了我的一些情怀、一些感慨,竟然能够把整个数学都覆盖得到。我举一个小小的例子,这是过去数学课本上的一个题目,大家都觉得这种题目难度不大,而且也很基本。但就是这样一个题目,却潜藏着非常丰富的数学思想和数学方法,以至于让我讲了整整两周。
这是过去中学课本上的一个题8-2x2-x>-1,因为这道题很基本,所以大家都会做。一般的做法就是,把x移到右边,因为这个不等式里边,最讨厌的就是那个根号,它是一个无理的东西,所以我为了处理这个根号,就把相关的闲杂人员全处理到右边去,把这个比较难对付的根号孤立起来。下面要采取的方法是去掉根号,但是如何去掉根号呢,得考虑这个不等式两边的非负性。于是就出现了这个不等式,一方面是,8-2x2≥0,保证这个根号下不是负数;另一方面是,x-1≥0,保证两边非负。在这个情况下,两边平方得到8-2x2>(x-1)2,这是得到的第一个不等式。第二个不等式,还是8-2x2≥0,因为根号下必须保证不能是负值,但是这个x-1,它当然可以是负的,所以第二种情况x-1<0,那么我们看到,只要是这两个不等式同时成立,原不等式肯定是成立的。于是原来不等式的解,就是这两个不等式组解集的并集。分别把这两个不等式解出来,然后一求并集,答案就出来了,这就是这个题的常规解法。
我想几乎所有的学生都会采用这种解法,而且解完之后都感觉到完成任务了。其实这个题中间潜藏着一些伟大的数学思想和数学方法,可是用第一种解法没法儿发现。如果学数学仅满足于这种解法,就会陷入一种套路式、教条式的模式,很难了解到数学的波澜壮阔。我现在构造两个函数,一个是y=8-2x2,再一个是y=x-1,那么大家看,刚才这个问题就变了,变成这两个函数,谁比谁大的问题。大家注意,第一个函数,它是椭圆的上半部分,第二个的图形呢,它是一条直线,那么这个问题就变成了这条直线和椭圆相交,然后只要看看那两个图像的交点,就把这个题很简单地解出来了。本来是一个解不等式的问题,但是构造两个函数之后,通过求解交点,就转化成一个等式的解法,这是数学中的一个巨大的变化。大千世界相等是短暂的,不等是永恒的,但是利用了这种函数思想,就能够抓住相等的那一刹那,解决永恒的不等的问题,它的智慧就在这儿。第二种方法简洁,解法正确率高,更重要的是,这第二种解法体现出数学的一个非常重要的思想,就是数形结合。如果这个题再做变化,比如说我要是把那个-1,偷偷地换成一个a,那么你会发现,刚才提供的第一种解法,就无能为力了。因为那个a是啥呢?这个讨厌的a,它变化多端,每一次变化都给这个不等式的解法带来灭顶之灾,但是你要利用第二种解法,那么这个问题就好解决了。构造两个函数,一个是y=8-2x2,再一个是y=x+a,刚才讲过,y=8-2x2,它其实就是椭圆的上半部分,y=x+a是一组平行直线,它的斜率是1,随着a的变化,那条直线在不断地变化。这个题在高考中,应该是一种比较有难度,而且也非常常见的题目,就是分类讨论。我们通过这个图形一看,就可以分成四段来讨论,一目了然。通过这个题,我们可以看到,方程是数学上非常核心的概念,可以在函数的观点下,和不等式统一起来,这就是函数在数学中的重要性。一方面,要解决的具体问题一旦归结为函数,就可以把一些局部的问题,拿到高瞻远瞩的全局上去解决,所以局部的问题就变得很简单;另外,能够把静态的问题,放到波澜壮阔的动态的过程中去研究,使问题变得简单,比如说那个解不等式的问题。有了这样的一个背景,这个题可以随意变。通过观察图像,得出了a<-2时,它的解是什么;-2≤a<2时,它的解是什么;2≤a<2 3时,它的解是什么;最后a≥2 3时,它的解集是空集。顺着这个题,我现在逆向思维,不让你解这个等式,而是已知这个不等式的解集为[-2,2],求a的范围。那么大家再看刚才那个图,这个不等式的解集是[-2,2],就是说在[-2,2]这个区间,这条抛物线始终应该在这条直线的上方。从图上一看,答案不用动手就出来了,是a<-2。如果这个题不是通过这样的一种方法来做的话,那就难上加难了。我再进行第二变,刚才不是解这个不等式吗,现在不解不等式了,换一个什么呢?已知这个方程8-2x2-x=a,说这个方程恒有解,求a的范围。这个题目和原来那个题相比,其实就是一个符号之差,原先是个大于号,我现在变成个等号,这两个题目的背景和解题的氛围,就发生了很大的变化。但当你考虑函数的背景时就会发现,这两个题目完全是同一种题目。还是看刚才那个图,这个方程恒有解,不就意味着那条直线和那个椭圆恒有交点吗?我们观察图像可知,当-2≤a<2 3这个范围内时,直线和椭圆恒有交点,根本不用计算。但我可以告诉你,这个题是有一年高考的一个很难的题目。还有更精彩的,现在我不是说这个方程有解了,而是说这个方程有两个不同的解,求a的范围。这不同的解就意味着这条直线和这上半个椭圆,得有两个不同的交点,看看图就一目了然了。于是这个题目的答案又得到解决。我们还可以继续变,若是在[-1,1]内有解呢,求a的范围,这个答案也很好找出来。再看一个题,还是各种复习材料上都会有的一个题目:
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