最是清欢在数学

来源 :中学数学杂志(高中版) | 被引量 : 0次 | 上传用户:jianyong1
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  【摘要】数学之味在严谨,在抽象,在运用,更在清欢,其清雅、清淡、恬适、欢愉之味在于,其表面上不可思议,看上去却奇而不怪;感觉上是歪打正着,想想却是合情合理;有时觉得美不胜收,原来是其“心”有所归;有时是“以形助数”,有时却又“以数解形”,数形结合之妙,真是“妙”不可言;不得不叹为观止,还是“数”你最好!最后才发现:一切原来如此——清欢.
  【关键词】数学;有味;清欢
  人生有味是清欢,最是清欢在数学,人生之乐,或在仕途,或在财富,或在登山临水,或在琴棋诗书,因人而异,不一而足,数学之味在严谨,在抽象,在运用.不知是哪位数学家曾说:数学好玩.什么是数学?借用点的定义(点就是没有部分的那个东西)数学就是最好玩的那个东西.品咂数学,有清欢之味.
  1清欢在“思”,不可思议.
  1777年的一天,著名的数学家蒲丰忽发奇想,把许多宾朋邀请到家中,做了一个叫人感到奇怪的试验,他把事先画好一条条等距离的平行线的白纸,铺在桌面上,又拿出准备好的质量均匀而长度为平行线距离一半的小针,请客人把小针一根一根的随便地仍在纸上,而蒲丰则在一旁专注观察着记着数,投完后统一计数为:共投2212次,其中与任意平行线相交的有704次,蒲丰又做了一个简单的除法,2212÷704=3142然后宣布:“这就是圆周率的近似值”,所有的宾朋都惊呆了,这简直是不可思议!这就是著名的蒲丰投针试验.1901年,意大利人拉查尼投了3408次,得出估计值是31415929,已很接近祖冲之的密率.数学中,这样的例子很多[1].
  2清欢在“原”,原来如此.
  记得小时候学数学,老师告诉我们,要记住,1是最小的自然数,到了中学,老师还说,前n个自然数的和是n(n 1)2,可是到我教书的时候,却规定:0是最小的自然数.到底是怎么回事?难道这是随便说的吗?后来读到史宁中先生的文章,才明白什么回事,现今数学界,人们广泛认可的关于自然数的定义,是皮亚诺算数公理体系,这是一个基于内涵的定义,这种定义的出发点是细化了的“大小”关系.自然数是一个一个大起来的.数学家在这种关系中抽象出“后继”的概念,皮亚诺用“后继”的概念定义了自然数.比如,先是有1;称1的后继为2,2比1大1,表示2=1 1;称2的后继为3,3比2大1,表示3=2 1;……通过这样的后继关系,定义了所有的自然数,同时又定义了加法.皮亚诺最初规定自然数是从1开始的,如今,又规定自然数从0开始.因为,如果从1开始,算数公理体系将无法定义出0;如果定义不出0,则无法定义出相反数,进而无法定义负整数;如果不定义负整数,则无法通过加法的逆运算定义出减法.因此,如果没有0,自然数集合就不可能在公理化结构下扩张为整数集合.原来如此[2]!
  3清欢在“妙”,“妙”不可言.
  欧拉公式更是一个真正的经典,这个公式看上去一目了然,但却深奥得难以置信.它包括五个最重要的数字常数——0(加法恒等元)、1(乘法恒等元)e和π(两个最常见的超越数)以及i(虚数单位).另外公式还包括三个最基本的算术元算——加法、减法和次方.当代世界数学及其应用研究所的戴维·玻西教授表示:“鉴于e、π与i都非常复杂且看似极不相关,他们能通过这个简洁的公式联系起来真的很惊人.一开始你可能没有意识到他所带来的影响力,这是一个渐近的影响.或许就像听一首乐曲那样,当你了解到乐曲的全部潜能后,突然间它变得非常了不起.”他还说,数学美是“灵感”的源泉,它让你有探索未知事物的熱情[3].
  4清欢在“奇”,奇而不怪.
  设想用一根仅比赤道周长多出1米的铅丝围成一个同心圆,凭直觉,能否迅速地判断一下:此时我们的拳头能否从赤道与铅丝的空隙穿过?
  直观上想,相对于地球赤道而言,增加1米实在微不足道;答案显然是拳头不能从赤道与铅丝的空隙穿过. 相信会有相当一部分同学同意这种看法,但这是错误的.如图,设圆膨胀前的半径为R1米,周长为S1米,膨胀后的半径为R2米,周长为S2=S1 1米,则半径的伸长为R2-R1=S2-S12π=12π≈016(米).
  这是一个常数,拳头完全可以从赤道与铅丝的空隙穿过.同时也说明,大小不等的两个圆,周长增加1米,半径伸长是相同的,直观情景给了我们一个错觉,而数学的理性思维恢复了它的原貌.这就是数学解题,通过推理、论证得出一个符合事实的结论.数学解题促进了数学的理解.
  5清欢在“美”,美不胜收.
  数学是研究空间形式和数量关系的科学,极其丰富的内容使数学充满了美,它结构的完整、图形的对称、布局的合理、形式的简洁,无不体现出数学中美的因素.著名近代科学家开普勒说:“数学是这个世界之美的原型.”数学美不论从内容上还是形式上一般可分为:严谨美、简洁美、统一美、对称美、整齐美、奇异美等.数学中的许多定理、公式的论证过程,都呈现出简洁美;现实生活中许多现象往往就可以归纳为数学的一个公式、一个方程或一个函数关系式,体现出数学中的统一美,如正棱柱、正棱锥、正棱台的侧面积公式可以统一为 S=12(C1 C2)h;实系数一元n次方程的虚根成对出现,函数与反函数的图像关于直线y=x 对称,等边三角形、圆、双曲线等图形,都给人一种对称与和谐之美感;在百思不得其解之后,一个巧妙、奇特、新颖的方法跃然而出,内心深处由衷产生的喜悦与冲动,刻骨铭心,这就是数学美的奇异之美.999999999×9999999991 2 3 4 5 6 7 8 9 8 7 6 5 4 3 2 1=12345678987654321.两岸青山相对出的对称美,浓妆淡抹总相宜的和谐美,塞下秋来风景异的奇异美,看似寻常最奇崛的简洁美,一枝红杏出墙来的数字美,万紫千红总是春的符号美.真是各美其美,美美与共,数学美是理性的美,严肃的美,冷峻的美,圣洁的美,冰清玉洁的美,与那沉鱼落雁、闭月羞花之美有异曲同工之妙美[4].   6清欢在“心”,“心”有所归.
  一个普通的三角形,也许让人感受不到它的美,但是,研究可以发现,任意三角形,它的内角和都等于180°,真是奇怪!三条中线交于一点,我们叫它为重心,奇怪的是,三条高、三条边的垂直平分线也交于一点、三个内角平分线也交于一点、三个外角平分线也交于一点,这是奇了怪了,我们分别称之为“垂心”、“外心”、“内心”和“旁心”,当这个三角形为“正三角形”时,他们的所有“心”都合一,如此奇怪、诡异,只能称为“完美”了.高中数学中这样的奇异美,是数不胜数,认真体会,心旷神怡.
  7清欢在“歪”,歪打正着.
  数学并不一定总是“一本正经”,有时也会耍点无赖.2011年7月7日,全世界有很大影响的两份杂志曾联合邀请全世界的数学家们评选“近50年的最佳数学问题”,其中有一道相当简单的问题:有哪些分数abbc,不合理地把b约去得到ac,结果却是对的?数学家们经过计算,找到了四个分数:1664,2665,1995,4998.这个问题涉及到“运算谬误,结果正确”的歪打正着,在给人惊喜之余,不也展现一种奇异美吗?
  还有一些“歪打正着等式”更是奇葩无比
  25×92=2592,
  25×2531=252531,
  112×913=112913[4].
  8清欢在“叹”,叹为观止.
  有时候,数学是那样的和谐,和谐到让你叹为观止的程度.在球的体积教学中,师生可以共同探讨球的体积公式的推导过程,教师可以根据球的对称性,启发学生先求半球的体积,然后将等底等高的圆柱、圆锥和半球叠加(可以演示三维动画,也可以在黑板画图示意)第一步:先目测体积、猜想估算,很显然,半球的体积在圆锥和圆柱之间,即在13πR3与πR3之间,因为πR3=33πR3,故半球的体积x3πR3,其中分子x为1到3之间的某一个数,介于1到3之间的任何一个数皆有可能,可能是11,可能是15,可能是28……此处可以尽兴地让学生去猜,肯定有的学生会猜想是整数2,此时教师可以及时点拨:“2是1和3之间的唯一整数,且是1和3的等差中项,因此,如果半球的体积等于23πR3,那真是无比美妙的事情,那么结果到底是怎样的呢?”学生的情绪将会一下子高涨起来,恨不得答案就是23πR3,并且能很快推导而出.然后师生共同努力,进行第二步:细沙实验,验证猜想,再通过第三步:用祖暅原理,证明猜想.当最后得出V半球=лR3-13πR3=23πR3的时候,学生欢呼雀跃,充分感受到数学的内在美、和谐美,并叹为观止.此时如果教师即情点化并高声朗诵:“数学,具有至高无上的美,正像雕刻的美,是一种冷而严肃的美,这种美没有绘画或音乐的哪些华丽的装饰,但是却可以纯洁到崇高的地步,能够达到严格的只有最伟大的艺术才能显示的那种完美的境地!……”如此挖掘,美的情景出现了,诗意数学也就产生了[3].
  9清欢在“数”,“数”你最好.
  毕达哥拉斯说过“万物皆数”,老子也说:“道生一,一生二,二生三,三生万物”.古代哲学家、数学家普罗克拉斯断言:“哪里有数,哪里就有美.”著名哲学家罗素曾说:“数学不但拥有真理而且具有至高无上的美.”古希腊的学者,特别是毕达哥拉斯学派,他们对于自然数的研究有着非凡的想象力.比如,如果一个自然数所含有因数(本身除外)之和恰好等于这个数,那么这个数就是一个完满数,第一个完满数是6,因为其所含的因数1,2,3之和恰好是6.为什么人们喜欢“6”这个数字,六六大顺,原来这里面有如此学问,难怪宗教哲学家奥古斯丁无限制地发展了这个想法,在他的著作《天堂》一书中说:“虽然上帝能够在瞬间创造世界,但为了表现天地万物的完满,他还是用了6天.”他们还把大于1的奇数代表男性,偶数代表女性,因为5是第一个男性数与女性数之和,因此,5象征男女的结合,难怪有新人结婚,门对上常有“福来是五”的词句.世界上最神奇的数字是:142857.据说它发现于埃及金字塔内,它是一组神奇数字:142857×1=142857;142857×2=285714;142857×3=428571;142857×4=571428;142857×5=714285;142857×6=857142.同样数字调换了位置反复出现.那么把它乘与7是多少呢?我们会惊人的发现是999999 ,真是不可思议[2].
  将数字入诗,数字入联,则别具韵味.“一去二三里,烟村四五家,亭台六七座,八九十枝花.”这是宋代邵雍描写旅程景物的诗,共20个字,把10个数字全用上了.这首诗用数字反映远近,村落,亭台和花,通俗易懂、脍炙人口而妙不可言.“一片两片三四片,五六七八九十片,千片万片无数片,飞入梅花总不见.”郑板桥的《咏雪》全诗几乎都是用数字堆砌起来的,从一至十至千至万至无数,却丝毫没有累赘之嫌,读之使人宛如置身于广袤天地大雪纷飞之中,但见一剪寒梅傲立雪中,斗寒吐妍,雪花融入了梅花,人融入其中也乐在其中.杜甫的“两个黄鹂鸣翠柳,一行白鹭上青天.窗含西岭千秋雪,门泊东吴万里船”,同样脍炙人口,数字深化了时空意境.他还有“霜皮溜雨四十围,黛色参天二千尺”,“青松恨不高千尺,恶竹应须斩万竿”等,表现出强烈的夸张和爱憎.柳宗元的“千山鸟飞绝,万径人踪灭.孤舟蓑笠翁,独钓寒江雪”,数字具有尖锐的对比和衬托作用.岳飞的“三十功名尘与土,八千里路云和月”,陆游的“三万里河东入海,五千仞岳上摩天”,同样是壮怀激烈的[3].
  10清欢在“形”,“形”上而学.
  圆桂和其内切球是一个几何体,本没有什么了不起,可是有一个数学家却非常“看重”它,并且把它刻在他的墓碑上,人们探访他,就是按照这个几何图形,因为他的墓碑上没有任何文字,在教学“圆柱的体积”这课时,我讲到了这个故事,许多同学兴趣盎然,我告诉学生,这个人是一个大数学家,他的名字叫阿基米德,就是发现浮力定理的那个人,我们应当在“形”上而学.怎么学,大家可以计算一下圆柱和它的内切球的表面积和体积,再计算一下它们的比值,真是因为比值都是3∶2,所以,才有那先前的故事.从形上而学,不失为一种学习方法.初中都学过三角形的内角和等于180°,四边形的内角和是360°,五边形的内角和是540°,n边形的内角和是(n-2)180°,许多人包括数学家们,证明了三角形的内角和是180°是那么的得意,并且许多“数学人”乐此不疲,好像还神神秘秘.如果单从结果而论,真的没有必要.其实,所有多边形的外角和都是360°,因为就是旋转了一周,一个外角和一个内角之和是180°,所以,n边形的内角和就是n×180°-360°=(n-2)×180°,n=3,那么三角形内角之和不就是180°吗?如此而已.不从过程来论,换一个角度,从图形入手,从外围入手,就是转一圈而已,那些“数学人”的孜孜追求真是“形而上学”.数学包含数和形,难怪笛卡尔将代数与几何相结合创造了解析几何,黎曼将微分与几何相结合,创造了微分几何,两者兼容并包.
  真是“清欢数学味:思原奇妙美,心歪叹数形,品咂却能醉”.
  参考文献
  [1]刘权华.数学故事数学教学的有效资源[J].江苏教育与研究,2015(7A/8A): 102-106.
  [2]史宁中.数学基本思想18讲[M].北京:北京师范大学出版集团,17-45.
  [3]刘权华.最是那“冰清玉洁”数学美[J].教育研究与评论,2014(6):60-63.
  [4]肖林元,刘权华等.如何高效學数学[M].北京:机械工业出版社,18-31.
  作者简介刘权华(1967—),男,籍贯江苏盱眙,南京市教育科学研究所,科研员,中学数学高级教师,教育硕士,南京市高中数学学科带头人,江苏省“333”高层次人才工程中青年科学技术带头人,发表教育教学论文50余篇.主要研究方向:高中数学教育教学,教师发展研究.
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