数学思维的力量:从一道小学数学提优题说起

文摘   2024-09-29 11:30   江苏  

这道题真是太有意思了!听到我这样的评价,大家可能会觉得我是个疯子。好吧,我确实有点疯癫,毕竟热爱数学的人可能真的不多。前几天,我老婆觉得有些无聊,想找点事情做做。我就跟她说:“可以看看数学啊!数学里藏着无穷无尽的变化和乐趣,可比游戏的乐趣大得多。”

我们一起来看一道小学五年级的提优题!

你可还记得数学中有一种解法:设而不求?什么意思呢?顾名思义假设了一些变量,但是并不直接求变量的具体值。这种方式为什么能奏效呢?通常情况下是运用整体思想,把假设的变量打包为一个整体,实现简化解题的目的。

看了这一段解释,大概率,很多人依然是一脸问号,我们不妨从一道简单的题目说起。

图中阴影部分的面积是25平方厘米,图中所示半径互相垂直,求圆环的面积。

目标是要求圆环的面积,圆环的面积是大圆与小圆的面积只差,而面积之差与大圆和小圆的半径有关。因此,我们不妨假设大圆的半径为R,小圆的半径为r。阴影部分的面积,是两个三角形的面积之差。所以,
S阴影=S大三角形-S小三角形=1/2R^2-1/2r^2=25,
由此可知,R^2-r^2=50。
要求的是圆环的面积,圆环的面积等于大圆的面积减小圆的面积,所以,
S圆环=S大圆-S小圆=πR^2-πr^2=π(R^2-r^2)=50π。
看到这里,我想各位应该能明白设而不求的解法。就像上面这道题,我们分别假设了两个未知数R和r,但是,我们并没有求出R和r的值,而是基于整体思想,把R^2-r^2看作一个整体。
设而不求这种解法有着非常广泛的应用场景。比如,令高中生头疼的圆锥曲线的相关题型中就会出现这种解法的应用。比如,2020年高考数学新高考I卷(山东卷)13题。

有兴趣的看官,不妨自己尝试着做一下,这篇文章中我就不详细写了,后面有时间,我写一个专题介绍设而不求解法在各种题型中的应用。我们回到这道题的求解上来。

看到这道题,我的第一想法就是基于设而不求这个解法进行尝试。我们假设三角形的两个直角边分别为x,y,正方形的边长为a。那么,阴影部分面积则为1/2xy-a^2。那么,我们需要列一系列等式关系,然后,从这些等式关系中寻找1/2xy-a^2这个整体。但是,我没有继续尝试下去,因为,这是一道小学五年级的题,对于小学五年级的学生而言,他们没有学过勾股定理,也没有学过相似三角形的相关知识点,所以,我们需要尝试其他的方法。

我们可以思考一下通过割补的方式来解决这道题,为什么会有这样的想法呢?因为这两个阴影部分的面积无法直接计算,当转化与化归的思维深植于心,我们就会有转化的想法,有了转化的想法,也就诞生了割补的方式来解决问题的想法。对于平面几何的面积计算问题,通常是转化到我们熟悉的矩形,直角三角形等常见的图形面积计算。

所以,对应到这道题,我们可以尝试着向三角形的方向思考,因为,阴影部分本就是两个直角三角形。那为什么不朝着矩形思考呢?因为这两个三角形不一样,不能拼接成一个矩形。有了这个方向,我想,我们应该很快就能够发现割补的方式,割补的方式见图中红笔的部分,解题步骤如下图所示。

我讲这道题,并不是为了讲这道题的具体解法,我主要是介绍这道题的思考过程,以及思考背后的思维模型。而后,我们可以基于这些思维模型把不同的题目串联起来,放在一起研究。多进行这样的训练,融会贯通将会是一件水到渠成的事情。

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每当我看到大家谈“数学”色变,每当我看到世人面对数学时眼中流露出恐惧之色时,我都想告诉他们,他们对数学的感觉是错误的,每当我看到数学被世人误解,总有种痛心的感觉,我想告诉他们数学真实的面貌。所以,我毅然决然地来实现这个梦想,把数学真实的面貌展现给大家,最终,让大家爱上数学。

我主要围绕K12数学从五个维度抽丝剥茧把真正的数学展现给大家。

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