探究二次方程求解幾何模型,原來是那樣的美

2020-12-06 中學數學精準輔導

一部代數史就是研究方程、討論方程的歷史。

一元二次方程有求根公式,一般的一元三次方程、一元四次方程等高次方程是否也有類似的求根公式?

1535年,義大利數學家塔塔利亞最早給出了三次方程的一般解法,不久費立裡又解決了四次方程,解法發表在《大術》中。

方程的可解性,就是這些方程的解可通過方程的係數,經過加、減、乘、除、乘方及開方等運算得出,這種根的表示稱為根式解或代數解。

隨著三次、四次方程陸續解出,人們把目光落在五次方程的求根公式上,然而近300年的探索一無所獲.阿貝爾證明了一般五次方程不存在求根公式,解決了這個世紀難題。

阿貝爾(1802-1829),挪威數學家阿貝爾被視為挪威民族英雄,挪威皇宮內有一尊他的雕像,這是一個大無畏的青年形象,他的腳下踩著兩個怪物——分別代表五次方程和橢圓函數。

歷史不會忘記這位傑出的數學家,為了紀念阿貝爾誕辰200周年,挪威政府於2002年創立了一項數學獎—阿貝爾獎。

多元表徵,從不同角度認識問題,是靈活解決問題的基礎。

其中(2)、(3)體現了「降次」代換的思想,(4)則是構造倒數關係,作等值代換。

有些複雜的方程卻有簡單的根的表達式;有些表面是方程的問題,卻需要從式變形的角度去思考。

正如清末著名學者王國維在《人間詞話》中說:「詩人對宇宙人生,須入乎其內,又須出乎其外,入乎其內,故能寫之;出乎其外,故能觀之.入乎其內,故有生氣;出乎其外,故有高致。」

例2.在前面的學習中,我們通過對同一面積的不同表達和比較,根據圖1和圖2發現並驗證了平方差公式和完全平方公式.

這種利用面積關係解決問題的方法,使抽象的數量關係因幾何直觀而形象化.

【研究速算】

提出問題:47×43,56×54,79×71,…是一些十位數字相同,且個位數字之和是10的兩個兩位數相乘的算式,是否可以找到一種速算方法?

幾何建模:

用矩形的面積表示兩個正數的乘積,以47×43為例:

(1)畫長為47,寬為43的矩形,如圖3,將這個47×43的矩形從右邊切下長40,寬3的一條,拼接到原矩形上面.

(2)分析:原矩形面積可以有兩種不同的表達方式:47×43的矩形面積或(40+7+3)×40的矩形與右上角3×7的矩形面積之和,即47×43=(40+10)×40+3×7=5×4×100+3×7=2021.

用文字表述47×43的速算方法是:十位數字4加1的和與4相乘,再乘以100,加上個位數字3與7的積,構成運算結果.

歸納提煉:

兩個十位數字相同,並且個位數字之和是10的兩位數相乘的速算方法是(用文字表述)_________.

【研究方程】

提出問題:怎樣圖解一元二次方程x^2+2x﹣35=0(x>0)?

(1)變形:x(x+2)=35.

(2)畫四個長為x+2,寬為x的矩形,構造圖4

歸納提煉:求關於x的一元二次方程x(x+b)=c(x>0,b>0,c>0)的解.

要求參照上述研究方法,畫出示意圖,並寫出幾何建模步驟(用鋼筆或原子筆畫圖,並註明相關線段的長)

【研究不等關係】

提出問題:怎樣運用矩形面積表示(y+3)(y+2)與2y+5的大小關係(其中y>0)?

(1)畫長y+3,寬y+2的矩形,按圖5方式分割

(2)變形:2y+5=(y+3)+(y+2)

(3)分析:圖5中大矩形的面積可以表示為(y+3)(y+2);陰影部分面積可以表示為(y+3)×1,畫點部分的面積可表示為y+2,由圖形的部分與整體的關係可知(y+3)(y+2)>(y+3)+(y+2),即(y+3)(y+2)>2y+5

當a>2,b>2時,表示ab與a+b的大小關係.

根據題意,設a=2+m,b=2+n(m>0,n>0),要求參照上述研究方法,畫出示意圖,並寫出幾何建模步驟(用鋼筆或原子筆畫圖並註明相關線段的長)

【分析】【研究速算】十位數字加1的和與十位數字相乘,再乘以100,加上兩個個位數字的積,構成運算結果;

【研究方程】畫四個長為x+b,寬為x的矩形,構造答圖1,則圖中的大正方形面積有兩種不同的表達方式,由此建立方程求解即可;

【研究不等關係】畫長為2+m,寬為2+n的矩形,並按答圖2方式分割.圖中大矩形面積可表示為(2+m)(2+n),陰影部分面積可表示為2+m與2+n的和.由圖形的部分與整體的關係可知,(2+m)(2+n)>(2+m)+(2+n),即ab>a+b.

【解答】:【研究速算】

十位數字加1的和與十位數字相乘,再乘以100,加上兩個個位數字的積,構成運算結果.

(1)畫長為2+m,寬為2+n的矩形,並按答圖2方式分割.

(2)變形:a+b=(2+m)+(2+n)

(3)分析:圖中大矩形面積可表示為(2+m)(2+n),陰影部分面積可表示為(2+m)×1與(2+n)×1的和.由圖形的部分與整體的關係可知,(2+m)(2+n)>(2+m)+(2+n),即ab>a+b.

【點評】本題考查了數形結合的數學思想,利用數形結合思想建立了代數(速算、方程與不等式等)與幾何圖形之間的內在聯繫,體現了數學的魅力,是一道好題.試題立意新穎,構思巧妙,對於學生的學習大有裨益;不足之處在於題幹篇幅過長,學生讀題並理解題意需要花費不少的時間,影響答題的信心.

變式1.如圖,在△ABC中,∠ACB=90°,BC=a,AC=b.以點B為圓心,BC的長為半徑畫弧,交線段AB於點D,以點A為圓心,AD長為半徑畫弧,交

變式2.《代數學》中記載,形如x2+10x=39的方程,求正數解的幾何方法是:「如圖1,先構造一個面積為x2的正方形,再以正方形的邊長為一邊向外構造四個面積為5/2x的矩形,得到大正方形的面積為39+25=64,則該方程的正數解為8﹣5=3.」小聰按此方法解關於x的方程x2+6x+m=0時,構造出如圖2所示的圖形,已知陰影部分的面積為36,則該方程的正數解為()

A.6 B.3√5﹣3 C.3√5﹣2 D.3√5﹣3/2

【解析】根據已知的數學模型,同理可得空白小正方形的邊長為3/2,先計算出大正方形的面積=陰影部分的面積+4個小正方形的面積,可得大正方形的邊長,從而得結論.

配方法、因式分解法、公式法是解一元二次方程的常用方法,有些一元二次方程可以通過圖解法來解,形象而直觀。

幾何直觀主要是指利用圖形描述來分析問題,是在直觀感知的基礎上所形成的理性思考的結果,是學習者對數學對象的幾何屬性的整體把握和有效判斷的能力。

回歸出發點

在解決數學問題時,我們經常要回到基本定義與基本方法思考.試利用方程的解的定義及解方程組的基本方法解決以下問題:

解題方法是數學的靈魂,一個有價值的問題的解決常經歷以下心路歷程:冥思苦想、茅塞頓開、悠然心會、心境澄明.

正如王國維在《人間詞話》中所說:「古今之成大事業、大學問者,必經過三種之境界:

『昨夜西風凋碧樹,獨上高樓,望盡天涯路。』此第一境也;

『衣帶漸寬終不悔,為伊消得人憔悴.』此第二境也;

『眾裡尋他千百度,驀然回首,那人卻在燈火闌珊處。』此第三境也.」

問題的解決不也如同上述情境嗎?假若你在學習數學的過程中也常歷經這樣的心境,那麼你一定能理解好數學,掌握好數學.

"題"煉方程之美

故最大值為6,故答案為:6.

2.已知矩形ABCD的長和寬分別是n和1,其中n是正整數,若存在另一個矩形A′B′C′D′,它的周長和面積分別是矩形ABCD周長和面積的一半,則滿足條件的n的最小值是_______.

【解析】:設矩形A′B′C′D′的長和寬分別為x、y,

|x1|+|x2|=3+4=7=2×3.5.

∵3.5不是整數,∴x2+x﹣12=0不是「偶系二次方程;

(2)存在.理由如下:

∵x2﹣6x﹣27=0和x2+6x﹣27=0是偶系二次方程,∴假設c=mb2+n,

當b=﹣6,c=﹣27時,﹣27=36m+n.

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