浅谈中学数学的对称美

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  摘要:数学自身是理性思维和想象力的结合体,数学美是集科学与艺术美为一体,主要包括对称美、简洁美、统一美,在数学史中,数学美是数学发展的重要因素,在学习的过程中,要善于发现数学之美,学会在欣赏美中获得知识。其中对称美是数学美中最显著的表现形式,在中学数学中这一性质是非常常见的。欣赏对称美,体会数学之美。
  关键词:中学数学;代数;几何;对称美
  古希腊学者毕达哥拉斯说:“美就是和谐,整个天体是一种和谐,宇宙的和谐是由数组成的,因而构成了整个宇宙的美”。同毕达哥拉斯一样,许多中外知名学者都认为数学是美的,数学美是自然美的客观反映,是科学美的核心,其中表现最突出的是对称美。对称与美是紧密联系的,对称的事物给人一种视觉上的美感,精神上的享受,对称性这一性质被广泛地应用在生活中,比如某些著名的建筑,北京的紫禁城、印度的泰姬陵、巴黎的埃菲尔铁塔等等,另外在自然界中,比如蝴蝶、枫叶、雪花、风车等也具有此性质,对称性本身就是一种和谐、一种美,同时对称性在数学教材中也是普遍存在的。
  一、 数学定理及公式的对称美
  在中学数学中,有许多定理公式都具有对称性,这一特点有利于学生的理解记忆。公式的对称性主要是指公式中不同的运算符号可以改变,运算顺序也可改变,例如平方和(差)公式(a±b)2=a2±2ab b2,立方和(差)公式(a±b)3=a3±3a2b 3ab2±b3,其中a,b的位置可以互换,公式仍然成立。类似的公式还有很多,三角函数中的和、差、倍、半公式,两角和差的正弦公式sin(α±β)=sinαcosβ±cosαsinβ还有两角和差的余弦公式cos(α±β)=cosαcosβsinαsinβ等,这些公式的展开式都具有对称性,使人读起来有种节奏感,印象深刻。数学中的许多定理的对称性也体现出数学的对称美。比如初中教材中出现的平行四边形的性质:“平行四边形的对角线互相平分,”与平行四边形的判定定理:“对角线互相平分的四边形是平行四边形。”这就是数学中定理的对称关系,平行线的性质与平行线的判定定理也是具有对称性的。从运算符号看,“ ”与“-”“×”与“÷”也具有“对称”关系。从数的角度看,奇数与偶数,整数与小数,约数与倍数,质数与合数也是具有对称关系。这些关于数学的对称性的认识让我们对数学的学习又加深了一步,让我们在学习数学的同时又体会着数学的美,进一步提高学生学习数学的兴趣。
  二、 代数中的对称美
  中学数学中的代数包括函数、不等式、数列、概率、解析几何等部分。每个部分中都能体现出不同的数学对称美。
  1. 不等式的对称美
  在不等式中,我们可以任意的交换两个字母,此不等式不会改变,这就是不等式的对称性,例如不等式x y z≤3,xy yz xz≥1,a2 b2 c2≥ab ac bc等。
  2. 函数的对称美
  函数是贯穿于整个中学数学的学习,也是整个中学数学学习的重心,而函数的对称性是函数中最重要的性质之一,函数的对称性主要体现在函数图像具有对称性,其中包括点对称和线对称。接下来以二次函数和三角函数为例来研究函数的对称性,体验对称之美。
  (1)二次函数中关于点的对称美
  二次函数y=ax2 bx c(a≠0)的两个零点A(x1,0)和B(x2,0),也就是方程ax2 bx c=0(a≠0)的两个解x1、x2,A点和B点在二次函数的图像上是关于对称轴x=-b2a对称的两个点,都在x轴上,由于二次函数的图像整体都是关于x=-b2a对称的,因此二次函数上有很多互相对称的点,其对称点式通用(x1,k),(x2,k),k是相当于把二次函数与x轴的交点上下平移k个单位。这种对称主要是体现其图形的对称美,对称性也给我们求解问题带来了方便。
  (2)三角函数的对称美
  三角函数一般包括正弦函数、余弦函数、正切函数、余切函数、正割函数与余割函数,其中正弦函数y=sinx与余弦函数y=cosx是三角函数中的常用函数,它们的函数图像既是中心对称图形,又是轴对称图形。
  正弦函数与余弦函数还是周期函数,它们的对称轴和对称中心有无数个,其对称性使图像看起来很美观,做题时也容易让我们根据其对称性解决问题。
  三、 几何中的对称美
  几何中的对称性是最直观、最易懂的性质,也是我们解题时最常用到的性质。几何中的对称一般包括点对称、中心对称、轴对称,在平面几何中等腰三角形、正方形、圆既是轴对称图形,又是中心对称图形,其中圆是具有性质最多的图形。立体几何中正方体、正四面体、球、长方体也是对称图形,球是最美的图形,这些对称图形看起来有一种和谐美,让人视觉得到享受。而这一性质被广泛应用在我们的日常生活中,形成了许多美丽的图形,神奇的建筑,丰富了我们的生活情趣,当我们走在街道两边,看到周围的建筑,路旁的花花草草,川流不息的车辆无不显示出人们创造出的对称美。汽车的品牌、北京天坛的建筑和外国建筑都具有对称性这一特点。
  对称美是数学美中最显著的特征之一,而对称美在中学数学教材中到处都存在,让人们在学习数学中发现美,提高自身的数学素养,所以在教学过程中要注重把这种数学美呈现在学生面前,让学生体会到这种美,从而可以提高学生学习数学的兴趣。这些数学的性质给学生的学习带来不少乐趣,让其在课本上学习对称美,在生活中体会数学美,了解数学和生活是密切相关的。正如英国哲学家、数学家罗素认为:“数学,如果正确的看它,不但拥有真理,而且也具有至高的美,是一种冷而严肃的美。”
  参考文献:
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  [3]姚晓娟.二次函数的对称美[J].考试周刊,2014.
  [4]易南轩.数学美拾趣[M].北京:科学出版社,2004.
  作者简介:宋丹丹,四川省南充市,西華师范大学数学与信息学院。
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