數學思維--真正拉開數學水平差距的根本

2021-02-15 小珩星研究所
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第一個問題,他先用萬能的枚舉法入手。

假設四邊形的周長為20,那麼長短邊之和就是20/2=10,設短邊為a,長邊為b,面積為S,先限定為整數,則有:

a=1,b=9, S=1×9=9;

a=2,b=8, S=2×8=16;

a=3,b=7, S=3×7=21;

a=4,b=6, S=4×6=24;

a=5,b=5, S=5×5=25。

可見兩個邊長均為5的時候,面積最大,即四邊形為正方形時,面積最大。

珩珩的歸納過程和結果,非常簡單

我來解說一下他的思路:

由於兩個邊長的和是一定的,因此當其中一個邊長+1,那麼另一邊長則-1,故可設邊長為b,那麼兩邊邊長之間的關係如下:

而四邊形的面積即為S=(b+x)(b-x),根據平方差公式可得S=b²-x²。

那什麼時候面積最大?因為x²≥0,所以想要b²-x²的值最大,那麼必須要x為零,像假如x=1,那麼b²-x²=b²-1,顯然就比b²要小了。因此結論為S=b²,即四邊形為正方形時面積最大。

02

99的100次方和100的99次方,

哪個更大?

第二個問題其實是初中的數學知識點了,涉及到冪的乘方。但因為之前珩珩也學過等比數列,所以指數對他來說還算不難理解。可是要比較99的100次方跟100的99次的大小,可不能通過硬算,要不得算到天荒地老去了,那怎麼解決呢?

還是萬能的枚舉,他先拿52^53跟53^52來舉例。(本來一開始討論的是99的100次方跟100的99次方,他隨機挑選了另外的數字)。

珩珩的推演過程

繼續來解說一下他的整個思路:

觀察52^53跟53^52,可以發現它們能分別表示成數A和數B,即A為x^(x+1)和,B為(x+1)^x。

當x=1,A=1^2=1,B=2^1=2,得:1^2<2^1;

當x=2,A=2^3=8,B=3^2=9,得:2^3<3^2;

當x=3,A=3^4=81,B=4^3=64,得:3^4>4^3;

當x=4,A=4^5=1024,B=5^4=625,得:4^5>5^4;

當x=5,A=5^6=15625,B=6^5=7776,得:5^6>6^5;

.

由此可得,當x=52時,52^53>53^52。

也就是說看到x^(x+1)和(x+1)^x形式的兩個乘方的冪需要比較大小時,只要底數大於2,那麼誰的指數大,誰就更大。

因此回到最初的問題,100的99次方和99的100次方的比較,因為底數大於2,100次方比99次方要大,因此99的100次方比100的99次方要大。

03

數學歸納法

在這裡感謝「小珩星研究所」微信群裡的一位寶爸,他分享了華羅庚的一本著作《數學歸納法》,並對珩珩日後的學習給了非常寶貴的建議:學習通過「完全歸納法」(即數學歸納法)寫出證明。(如果想要《數學歸納法》這本書的電子文檔,可在公眾號首頁發送消息「數學歸納法」。)

關於數學歸納法的原理,最簡單和常見的是證明當n等於任意一個自然數時某命題成立。證明分下面兩步:

證明當n= 1時命題成立。

假設n=m時命題成立,那麼可以推導出在n=m+1時命題也成立。(m代表任意自然數)

這種方法的原理在於:首先證明在某個起點值時命題成立,然後證明從一個值到下一個值的過程有效。當這兩點都已經證明,那麼任意值都可以通過反覆使用這個方法推導出來。把這個方法想成多米諾效應也許更容易理解一些。

例如:你有一列很長的直立著的多米諾骨牌,如果你可以:

證明第一張骨牌會倒。

證明只要任意一張骨牌倒了,那麼與其相鄰的下一張骨牌也會倒。骨牌一個接一個倒下就如同一個值接下一個值

那麼便可以下結論:所有的骨牌都會倒下。

華羅庚曾說過,要打好數學基礎有兩個過程,先學習,接受「從薄到厚」,再消化提煉,「從厚到薄」。這個「從厚到薄」,說白了就是要學會從個體中找到共性,化繁為簡。

04

數學思維

菜市場裡的小販計算很快,但我們不會說他們數學好,為什麼?因為數學不只是運算,而數學思想的本質就是數學思維。那到底什麼叫做數學思維呢?

數學思維也就是人們通常所指的數學思維能力,即能夠用數學的觀點去思考問題和解決問題的能力,比如轉化與化歸,從一般到特殊、特殊到一般,函數/映射的思想等等。

我國初、高中數學教學課程標準中都明確指出,思維能力主要是指:

培養數學思維能力,是數學基礎教育最核心、最重要的目的。


畢卡索的作品《公牛》,把具象的牛一步步簡化為抽象的牛。抽象,其實就是高度概括。

對於剛才上面第二個問題,有熱心的數學群友給出了這樣的解答方法:

我估計很多家長第一反應是雲裡霧裡的感覺,更別說對珩珩這個還不滿六歲的孩子了。但是顯然,珩珩是想要用適合自己的方法去得到答案,既然不能用高深的數學知識直接去比較兩者的大小,那就用枚舉歸納法,間接求出結果。

我想到小學奧數中經典的雞兔同籠問題,對於大人來說直接來個二元一次方程組馬上就解出來了,可這是孩子還沒學到方程的知識,那該怎麼做呢?很多家長就因此被難住了,說不讓我解方程我可做不出來啊。

奧數中的解題思路是先假設雞或兔的數量一致,再根據腿數之差去求出多算或者少算的雞/兔數量,從而得出兩者的結果。大家常說讓孩子學奧數是為了訓練數學思維,其實道理也是如此,當然,關於小學奧數爭議還是蠻大的,我就不在這裡多作討論了。

其實在小學低年級時,同學們之間的數學成績差異還不是很大,拿滿分是正常的,96分可能已經在班裡的名次排到很後了。這是因為低年級階段的數學學習多以直觀、直接的知識為主,沒有多少拐彎抹角的地方。然而到了高年級,尤其是到了初中,從簡單的計算一步跨越到對抽象概念的理解與綜合概念的能力,很多孩子只會死記硬背,一旦遇到抽象的概念不會聯想與想像……這也是為什麼有的孩子小學階段數學似乎還不錯,可是一旦上了初中就會變得力不從心,甚至產生厭學情緒的原因了。

在學習生涯中有兩個關鍵轉折時期,一個是小學三四年級,一個是初中七八年級。三年級開始,數學的學習開始需要解決一些比較複雜的問題,家長們要注意去引導孩子思考,養成思考的習慣,培養與數學思維有關的觀察能力、數據變化規律、運算總結能力等,以適應更加抽象的數學知識了。

關於學前兒童數學思維的培養,公眾號首發文章就聊過這個話題,可點擊下面文章標題連結跳轉到原文:

如何在日常生活中培養孩子的數學思維?

文末送大家一句話:

「物有本末,事有終始。知所先後,則即道矣。」

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