數學 | 2的-2次方等於幾?不如讓娃自己琢磨一下

2021-01-13 周花卷
前些日子聽說Vita哥哥的小表哥去參加了一個編程比賽,他媽媽跟我說裡面有一道題涉及了負數次方的概念,小傢伙不懂,所以沒做出來,有點遺憾。負數次方其實並不是一個獨立的概念,只不過是把指數擴展到了負數而已,就好像我們可以把加減乘除運算擴展到負數一樣,它一定是能夠從已知的一些規律推導出來的。
首先,我們知道乘法就是連加,那麼我們很容易把其中一個乘數推廣到負數,例如:如果另一個乘數也推廣到負數,我們可以把其中一個負數的乘數寫成兩個正數的差,然後用乘法分配律展開:現在用剛才一個乘數是負數的計算方法,分別計算1x(-5)和8x(-5),就可以得到(-7)x(-5)=35:通過這個例子,娃學會了怎樣使用數學語言來進行推理(儘管這並不是一個嚴格的證明),我覺得這是一個很重要的數學能力。

一開始他也找不著思路,我提示他可以回憶一下,當兩個底數相同的冪相乘的時候,指數是怎樣變化的。有了這個提示,他最後還真的給做出來了,雖然推理過程寫得十分混亂,你們感受一下:


這個推理的核心都在畫紅圈的地方,我來替他整理一下。


首先,底數相同的兩個冪相乘,指數是相加的關係,我看到他在上方寫了幾個例子,比如10²x10³=10⁵,但是令我比較意外的是他把這個規律寫成了兩條公式:



Hmm,不簡單吶,說明已經有一定的代數思想了。


後面的推理大致是這樣的:


如果設a和b互為相反數,比如2和-2,那麼就有:



到這裡,他把n用我問題中的數2代入,於是有:



兩個數的乘積等於1,說明它們互為倒數,因為2²=4,所以:



Bingo!


好吧,既然你已經有了代數思維,那不妨進一步總結一下這個規律如何?



不錯不錯,就是這個啦:



既然有點上道了,那麼就再來個進階的吧:



好了,這次是問2的1/2次方等於幾?


其實思路跟之前差不多,我就沒多提示了,哄妹妹去午睡,出來之後我看到了這個:


因為2的1/2次方乘以它自己等於2,所以2的1/2次方等於2的平方根。到這裡,我們又可以追問了,這個規律能不能總結成公式呢?

基本上能寫出來啦,只不過,a次根號這個寫法Vita哥哥是不會的,是我告訴他這麼寫的,沒辦法,這個實在有點超綱啦。。。

娃在解決這兩個問題當中所展現的代數思想讓我感覺驚喜了一下下,畢竟代數屬於比較高級的抽象。小朋友學數學,首先是從具體的東西開始,比如點數,或者掰手指來算加減法。接下來,我們要學習把數從具體的東西中抽象出來,也就是說,在算加減乘除的時候,腦子裡關心的是數字,而不再是具體的東西了。再下一步,我們要學習把數的結構和關係從具體的數中抽象出來,也就是說,我不再關心具體是什麼數,我只關心結構和關係,什麼數放進去都滿足這樣的結構和關係——這就是代數數學就是這樣一層一層抽象上去的,每抽象一層,再看前一層的東西時,就會猶如居高臨下,擁有了一個新的視角。比如說,說到偶數奇數,從代數的視角來看,就是2n和2n+1(n是整數),用這樣的結構去推導很多性質就非常容易了,比如加減法的奇偶性;說到一個三位數,那就是100a+10b+c(a是1~9的整數,b、c是0~9的整數),進而你可以由此理解各種進位的本質……所以,如果娃的抽象思維能力還不錯,了解一下代數的思想還是很有必要的,說不定就打開了什麼新世界的大門。Vita哥哥從圖書館借到了一本很不錯的書,他很喜歡看,了解一下:
《可怕的科學》系列應該是很有名的,這本講代數的也是這個系列一貫的風格——各種無釐頭和冷笑話,娃看完經常會記得這些橋段,比如這張講二次方程解法的圖:

他看完就經常跟我叨叨那個什麼「應急按鈕」,神秘兮兮的,哈哈,應急按鈕到底是啥呢?原來是那個求根公式

除此之外這本書還有很多有趣的內容,比如帕斯卡三角(楊輝三角)與N次多項式係數的關係:

對於小學生來說,內容雖然還是有點難度的,但是架不住很多地方確實很搞笑,感興趣的話買一本看看吧。順便讓自己回憶一下這些知識,不要過兩年被娃鄙視了……

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養兩個娃不容易

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