巧构几何图形 妙解代数问题

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  数学是中学的一门重要学科,而数学中的代数是比较复杂且枯燥的,如何解决代数问题,是数学学习过程中的一个难点,因此在解题过程中需要寻找不同的思路与方法。本文主要探讨如何通过构造几何图形解决代数问题,将数与形结合起来,把代数问题转换成几何图形,有利于直观地看出代数式所表达的内容,能够通过图形将复杂的代数问题简单化,提高解题效率,开发学生思维灵活性,提高学生分析问题、解决问题的能力。
  一、代数问题几何化的必要性
  将代数问题几何化这一思路方法,本质上就是把抽象的代数问题和具象化的几何问题相互结合起来,相互弥补不足之处,如几何问题的长处是能够直观地看出图形,能直观地理解两者之间的关系,但是不足之处则是表达不够简练。而代数式的表达都比较简练,但是代数是公式化的问题,解决起来比较复杂,没有直观的形象,因此代数问题是让很多学生都头痛的问题。将代数问题几何化其本质就是把抽象问题具体化,把复杂问题简单化,通过对图形的处理,能够发挥出直观图对抽象代数的支柱作用。
  目前全国正在大力推行素质教育,而创新教育是素质教育的重要环节,因此,培养学生的创新能力是全国推广素质教育的重点,而创新能力培养的重点就是加强学生的创新思维能力,创新思维能力的实质是通过不同的思路、不同解题方法的综合运用,在前人解决问题的基础上,通过发散性思维的创造,能够有新的解决问题的思路,在数学的学习上培养学生的创新能力,也显得尤为重要。
  本文通过对勾股定理将代数问题几何化的研究,开拓初中生的思维能力,培养解决问题的创新方法。
  二、代数问题几何化的基本步骤
  数学是一门很神奇的学科,数学中的很多代数问题都可以转换成图形来解决,如果单纯使用代数来解决问题,则会比较困难,而数学中的数字都能转换成图形,这就代表在代数解题时也可以通过构建图形来解决。一些代数问题本身比较复杂,对于初中生来说解决起来比较困难,甚至会出现无从下手的情况。通过将有明显意义的代数转换成几何问题来研究,从而获得问题的解决方法,这一方式通常被称为构造图形法。但是代数问题几何化的关键,在于引导学生去观察代数、分析代数的性质,将代数类比成几何图形,发挥联想的能力,然后找出代数和几何的共同点,建立几何模型。一般用几何方法来解决代数问题,都是以下几个步骤:首先,需要构建一个代数模型,将需要求解或推导的代数通过适当的变形和转换,使其能够成为我们应用公式的图形;其次,通过第一个步骤的变形,建立一个几何模型,注意,这个几何模型需要符合代数式的特点,例如,面积是平方,体积是立方,两点之间距离是线段,像三角形、圆形、椭圆、圆柱等,都可以用来构建几何模型;最后,将代数问题几何化,就是在第二步建立几何模型的基础上,通过分析几何模型,其实就是分析代数式的过程,解决代数式中需要推导的问题。
  三、代数问题几何化的应用
  勾股定理是在一个直角三角形中直角边分别为a和b,斜边为c,直角边a的平方加b的平方等于c的平方。勾股定理的证明方法多种多样,而它是在数学定理中能够被证明最多的定理之一。所以勾股定理可以说是数形结合的典范,无论是通过图形来推导勾股定理,还是用勾股定理来构建图形,都是能够通过很多方法去验证的。
  如何构建图形来准确得到勾股定理?我们来举下面这个例子。第一个方法:首先构建八个全等的直角三角形,全等直角三角形的定义就是三边相等、角度相等、形状相等的直角三角形。假设这些三角形的两条直角边长分别为a和b,斜边长为c,然后构建三个边长分别为a、b、c的正方形,像图1、图2一样拼成两个正方形,从下图两个拼法可以看出,这两个正方形的边长都是a b,所以这两个正方形的面积相等,那转换成代数的话就可以推导出一个等式,左边正方形的面积是a2 b2 4×ab,而右边正方形的面积是c2 4×ab。整理这个等式之后,就能够得出a2 b2=c2。
  其实,勾股定理的证明方法有很多种,勾股定理可以说是所有数形结合的基础,也是最早开创数形结合的鼻祖。国内外研究勾股定理的学者专家数不胜数,这里只是简单列举一些比较基本的方法,也是为今后数形结合的学习打下基础。
  总之,数学问题的解决方式很多都是相通的,尤其是代数与图形之间。代数在数学中是一个很宽泛的概念,因此我们在解决代数问题时,不能仅把思路局限于代数之中,更多时候可以换一种解题思路,将代数转换成几何图形,这是一种很好的方法。在一定程度上将代数问题转换成几何图形的问题,有利于直观地看出代数式所表达的内容,也能够通过图形将复杂的代数问题简单化,提供多种解题思路。在这转化过程中,锻炼了学生的推导能力。将代数问题转换成几何問题对学生能力也是一种考验,如何将代数和几何的图形应用联系起来,需要学生充分发挥发散性思维,由此锻炼了学生的动脑积极性和思维灵活性。另外,将数与形结合起来,有利于将复杂的问题简单化,提高解题效率,数和形的结合,能够加强学生对数学的综合学习能力,也可以提高学生分析问题、解决问题的能力。
  (作者单位:福建省漳州市石亭中学)
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