所謂「對稱」,就是某一事物和另一事物具有一一對應的關係(比如說左右對稱)。在數學當中,找出對稱性,並利用它來解題是非常重要的。 拿到一個幾何圖形或算式,找出和它相對稱的幾何圖形或算式,從而通過整個「整體」,獲得大量的信息,然後根據所學到的數學性質和理論來進行解題。 對於那些難以把握的問題,通過尋找它的對稱性可以輕而易舉的解題,這種方法屢試不爽。首先,讓我們來看一下幾何圖形的對稱。
幾何圖形的對稱
對於這道題,我們只要找出B點關於直線l的對稱點,就能輕而易舉的解決問題。
根據B點到直線l的垂直距離,找出B點關於直線l的對稱點B』點。這樣一來,△PBB』就成了等腰三角形。也就是說,PB=PB』。由此可以得出:
AP+PB=AP+PB』
接下來,我們就看一下,當AP+PB的長度在最短的情況下,P點的位置在什麼地方。由於直線是兩點之間最短的距離,那麼如下圖所示,當P點為直線l和直線AB』的交點p 0 點的時候,AP+PB』的長度最短。
這是一道經典的數學題,通過B點關於直線l的對稱點,可以把視線拓展到直線l的另一邊,當我們得出PB是等腰三角形的一部分的時候,就可以運用「直線是兩點之間最短的距離」這個公理來求出P點的位置。
針對幾何圖形的問題,為了更好的找出對稱性,我給大家介紹一些訣竅。
題目:如下圖所示,將長方形ABCD的一角折起來,使得B點和E點重合,而通過E點可以將AD邊3等分。求FG的長度。
這道題的計算稍微有些複雜。關鍵就在於摺疊之前和摺疊之後圖形的線性對稱(鏡像關係)。根據這一點,我們可以得知△FBG和△FEG是完全相同的兩個三角形(對等)。由此可以得出如下信息:
∠FEG=90°(△FEG為直角三角形)
FB=FE
BG=EG
那我們可以根據這三點信息和勾股定理求出FG的長度。
有興趣的話,大家不妨確認一下。
接下來,是算式當中的對稱。
對稱式
在數學當中,有一種算式,我們將它稱之為對稱式。
【對稱式】
調換未知數之後,依舊和原先保持相等的多項式。
例)在2個未知數的情況下,對稱式有,
我們將 x+y 和 xy 稱之為基本對稱式。 在對稱式當中有一個非常重要的性質,那就是, 無論多麼複雜的對稱式,都可以轉換成一個個基本對稱式的組合。 (關於這個性質的驗證,因為稍稍有一些難度,在這裡就省略了)。
確實,這些對稱式都能夠用一個個基本對稱式的組合來表示。讓我們運用對稱式的這個性質,來做一道高考數學題。
首先,我們要注意到的是:
是一個對稱式。根據對稱式的性質,我們可以將這個對稱式轉換成基本對稱式(a+b或ab)組合的形式。再根據題目當中所給出的2個方程式:
我們就可以求出a+b和ab的值。那麼,我們來看一下能不能求出①+②和①-②的解。
根據①+②,我們可以得出:
由於a 2 +b 2 可以轉換成a 2 +b 2 =(a+b) 2 -2ab,我們將它代入到①+②當中,就可以得出:
這樣一來,我們就把方程式轉換成了a+b和ab組合的形式。但是,轉換到這裡之後,這個方程式就沒法再轉換下去了,我們先把它標註為③,擱在一邊。
接下來,我們來看一下①-②:
根據題目當中給出的a≠b,就可以得出a-b≠0。那麼就把等號兩邊同時除以a-b,從而得出,
順便說一下,在做題的時候,如果遇到題目當中給出了a≠b,那麼很可能就說明,需要你把等號兩邊同時除以a-b,從而對方程式進行變形。
到了這個地方,我們基本上就算完成了一半。然後我們把(a+b)=
代入到方程式③當中去,得出:
好了,至此,ab的值也求出來了!
接下來,就是算出最終的答案。
至此,我們就求出了
的值。在這裡,整個計算的過程並不重要,重要的是,如果我們能夠發現所要求值的算式是一個對稱式的話,就可以運用對稱式的性質來進行運算。順便說一下,在方程式的解和係數的關係當中,也能夠用到對稱式的性質。
【2次方程式的解和係數的關係】
假設ax 2 +bx+c=0的解為α和β,那麼:
(對於以上定義的驗證,我們只要用2次公式來計算一下,立馬就能得出結果。)
在這裡,α+β和αβ都是基本對稱式。
除了對稱式之外,在別的算式當中也能找到對稱,比如相反方程式。
相反方程式
「4次方程式啊,不行!」請大家不要這麼快就拒絕。讓我們來看一下題目當中給出的係數:
1、7、14、7、1
可以看出,這些係數是以14為界線左右對稱的。 方程式當中係數的排列為左右對稱的形式,我們將這樣的方程式稱為「相反方程式」。只要將相反方程式當中同係數的項進行並項,就能夠降低未知數的次方。
我們將方程式當中同係數的項進行並項,得出:
接下來就是解題當中最關鍵的地方了。由於我們能夠很明顯的看出這個方程式的解不是x=0,因此,我們就可以將等號兩邊同時除以x 2 ,得出:
由於:
所以:
把它代入到方程式①當中,就可以得出:
我們假設:
就可以將方程式②變形為如下2次方程式:
t 2 +7t+12=0
這樣一來,我們就能夠很輕易的將它進行因數分解:
(t+3)(t+4)=0
∴t=-3或-4
這樣,我們就求出t的值!然後我們再把t置換回去,當t=-3的時候:
兩邊同時乘以x:
接下來,我們運用2次公式,就可以得出:
同樣的計算方法,當t=-4的時候:
根據上面的這兩個數值,我們就可以得出方程式的解為:
如果我們能夠注意到題目當中方程式的各項係數左右對稱,並將它整理出來,兩兩並項,那我們的視野也能夠隨之展開。也就是說, 如果遇到不知道該怎麼去解題的4次方程式,這時候,我們可以想辦法把它變成2次方程式,然後運用2次公式和因數分解的方法來解題。
當我們發現圖形和算式的對稱性的時候,就能夠擴展視野。獲得更多的信息量,從整體出發,運用學過的理論、性質和信息來解題,甚至由此而展開新的邏輯和理論。
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