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在中学数学中,化归不仅是一种重要的解题思想,也是一种最基本的思维策略。所谓的化归思想方法,就是在研究和解决有关数学问题时采用某种手段将问题通过变换使之转化,进而达到解决的一种方法。一般总是将复杂问题通过变换转化为简单问题;将难解的问题通过变换转化为容易求解的问题;将未解决的问题通过变换转化为已解决的问题。总之,化归在数学解题中几乎无处不在,化归的基本功能是:生疏化成熟悉,复杂化成简单,抽象化成直观,含糊化成明朗。说到底,化归的实质就是以运动变化发展的观点,以及事物之间相互联系,相互制约的观点看待问题,善于对所要解决的问题进行变换转化,使问题得以解决。这也是辩证唯物主义的基本观点。
匈牙利著名数学家罗莎·彼得在他的名著《无穷的玩艺》中,通过一个十分生动而有趣的笑话,来说明数学家是如何用化归的思想方法来解题的。有人提出了这样一个问题:“假设在你面前有煤气灶,水龙头、水壶和火柴,你想烧开水,应当怎样去做?”对此,某人回答说:“在壶中灌上水,点燃煤气,再把壶放在煤气灶上。”提问者肯定了这一回答,但是,他又追问道:“如果其他的条件都没有变化,只是水壶中已经有了足够的水,那么你又应该怎样去做?”这时被提问者一定会大声而有把握地回答说:“点燃煤气,再把水壶放上去。”但是更完善的回答应该是这样的:“只有物理学家才会按照刚才所说的办法去做,而数学家却会回答:‘只须把水壶中的水倒掉,问题就化归为前面所说的问题了’”。
“把水倒掉”,这就是化归,这就是数学家常用的方法。翻开数学发展的史册,这样的例子不胜枚举,著名的哥尼斯堡七桥问题便是一个精彩的例证。大数学家欧拉解决这一问题的思维程序是:
这是化归问题一个很好的应用,由此我们容易归纳出化归思想方法的思维模式:
可见解题能力的强弱在于:1、有敏锐的洞察能力,才能找准目标模型,2、有较强的化归能力,才能有效地把问题转化为目标模型,至于运用模型的内部规律求解就比较容易了。
在中学数学中,常见的化归基本形式有:
1、数与数之间的转化。例如计算某个算式得出数值;化简某个解析式得出结果;变形所给出的方程求解;变形所给的不等式求出解集以及函数、方程、不等式之间的互相转化等等。
2、形与形之间的转化。比如:利用图象变换的知识作出函数图象;利用分割、补形、折叠、展开,作辅助线,辅助面处理空间图形或平面图形,等等。包括把立体问题化归为平面问题。
例2.如图,正三棱锥P-ABC中,各条棱的长都是2,E是侧棱PC的中点,D是侧棱PB上任一点,求△ADE的最小周长。
3、数与形之间的转化。数与形之间的转化主要是依据函数与其图象的关系;复数及其运算的几何意义;以及解析几何中曲线与方程的概念等等进行转化。
[分析]:这是含有四个无理式的不等式证明题,难以入手,可应用化归方法。注意到左边的四个无理式的结构与勾股定理相类似,由此想到,设法化归为几何问题。这容易得到化归一:构造如图3的正方形,可以说不等式关系不证自明。
由此化归的思路,进一步考虑到两点间的距离这一关键,又可得到化归二:
从第二种化归得到的解法,我们同时得出原问题的条件:
0<a<1,0<b<1是多余的,认识进一步深化。
4、实际问题与数学模型之间的转化。数学模型是从现实世界中抽象出来的,是对客观事物的某些属性的一个近似的反映,但对解决实际问题而言,数学模型却是深刻,正确、完善地反映着现实。因此,把所考察的实际问题,化归为数学问题,构造相应的数学模型,通过对数学模型的研究,使实际问题得以解决,充分地体现了“用数学”的意识和能力。比如以上所举的哥尼斯堡的七桥问题。
化归思想方法的主要特点是它的灵活性和多样性。一个数学问题,组成主要元素之间的相互依存和相互联系的形式是可变的,其形式并非唯一,而是多种多样。所以应用数学变换的方法去解决有关数学问题时,就没有一个统一的模式可以遵循。因此,我们必须根据问题本身提供的信息,利用动态的思维,具体问题具体分析,去寻求有利于问题解决的化归途径和方法。
在中学数学中,应用化归思想方法解题应注意三个点:
一.注意紧盯化归目标,保证化归的有效性、规范性
化归作为一种思想方法,应包括化归的对象、化归的目标、以及化归的方法、途径三个要素。因此,化归思想方法的实施应有明确的对象、设计好目标、选择好方法。而设计目标是问题的关键。设计化归目标时,总是以课本中那些基础知识、基本方法在应用上已形成固定的问题(通常称为规范性问题)为依据,而把要解决的问题化归为成规律问题(即问题的规范化)。化归能不能如期完成,与化归方法的选择有关,同时还要考虑到化归目标的设计与化归方法的可行性、有效性。因此,在解题过程中,始终必须紧紧盯住化归的目标,即始终应该考虑这样的问题:怎样才能达到解原问题的目的。在这个大前提下,实施的化归才是卓有成效的,盲目地选择化归的方向与方法必将走入死胡同。
[说明]解题犹如打仗,需要冲破道道难关,直奔解题目标,而盯住目标,求什么就解什么,有助于最终形成解题思维链。
二.注意转化的等价性,保证逻辑上的正确
化归包括等价化归和非等价化归,在中学数学中的化归多为等价化归,等价化归要求转化过程中的前因后果既是充分的,又是必要的,以保证转化后的结果为原题的结果。
三、注意转化的多样性,设计合理的转化方案
在转化过程中,同一转化目标的达到,往往可能采取多种转化途径和方法。因此研究设计合理、简捷的转化途径是十分必要的,必须避免什么问题都死搬硬套,造成繁难不堪。
[说明]这个例子说明设计合理转化方案的重要性,目标的转换与方法转换是相辅相成又互相制约的,但其目的却是一致的,那就是通过化归达到以简驭繁的最终目的。
初中数学思想和方法有哪些?
一、函数方程思想
函数方程思想就是用函数、方程的观点和方法处理变量或未知数之间的关系,从而解决问题的一种思维方式,是很重要的数学思想。
1.函数思想:把某变化过程中的一些相互制约的变量用函数关系表达出来,并研究这些量间的相互制约关系,最后解决问题,这就是函数思想;
2.应用函数思想解题,确立变量之间的函数关系是一关键步骤,大体可分为下面两个步骤:(1)根据题意建立变量之间的函数关系式,把问题转化为相应的函数问题;(2)根据需要构造函数,利用函数的相关知识解决问题;(3)方程思想:在某变化过程中,往往需要根据一些要求,确定某些变量的值,这时常常列出这些变量的方程或(方程组),通过解方程(或方程组)求出它们,这就是方程思想;
3.函数与方程是两个有着密切联系的数学概念,它们之间相互渗透,很多方程的问题需要用函数的知识和方法解决,很多函数的问题也需要用方程的方法的支援,函数与方程之间的辩证关系,形成了函数方程思想。
二、数形结合思想
数形结合是中学数学中四种重要思想方法之一,对于所研究的代数问题,有时可研究其对应几何的性质使问题得以解决(以形助数);或者对于所研究的几何问题,可借助于对应图形的数量关系使问题得以解决(以数助形),这种解决问题的方法称之为数形结合。
1.数形结合与数形转化的目的是为了发挥形的生动性和直观性,发挥数的思路的规范性与严密性,两者相辅相成,扬长避短。
2.恩格斯是这样来定义数学的:“数学是研究现实世界的量的关系与空间形式的科学”。这就是说:数形结合是数学的本质特征,宇宙间万事万物无不是数和形的和谐的统一。因此,数学学习中突出数形结合思想正是充分把握住了数学的精髓和灵魂。
3.数形结合的本质是:几何图形的性质反映了数量关系,数量关系决定了几何图形的性质。
4.华罗庚先生曾指出:“数缺形时少直观,形少数时难入微;数形结合百般好,隔裂分家万事非。”数形结合作为一种数学思想方法的应用大致分为两种情形:或借助于数的精确性来阐明形的某些属性,或者借助于形的几何直观性来阐明数之间的某种关系.
5.把数作为手段的数形结合主要体现在解析几何中,历年高考的解答题都有关于这个方面的考查(即用代数方法研究几何问题)。而以形为手段的数形结合在高考客观题中体现。
6.我们要抓住以下几点数形结合的解题要领:
(1) 对于研究距离、角或面积的问题,可直接从几何图形入手进行求解即可;
(2) 对于研究函数、方程或不等式(最值)的问题,可通过函数的图象求解(函数的零点,顶点是关键点),作好知识的迁移与综合运用;
(3) 对于以下类型的问题需要注意:可分别通过构造距离函数、斜率函数、截距函数、单位圆x2+y2=1上的点及余弦定理进行转化达到解题目的。
三、分类讨论的数学思想
分类讨论是一种重要的数学思想方法,当问题的对象不能进行统一研究时,就需要对研究的对象进行分类,然后对每一类分别研究,给出每一类的结果,最终综合各类结果得到整个问题的解答。
1.有关分类讨论的数学问题需要运用分类讨论思想来解决,引起分类讨论的原因大致可归纳为如下几种:
(1)涉及的数学概念是分类讨论的;
(2)运用的数学定理、公式、或运算性质、法则是分类给出的;
(3)求解的数学问题的结论有多种情况或多种可能性;
(4)数学问题中含有参变量,这些参变量的不同取值导致不同的结果的;
(5)较复杂或非常规的数学问题,需要采取分类讨论的解题策略来解决的。
2.分类讨论是一种逻辑方法,在中学数学中有极广泛的应用。根据不同标准可以有不同的分类方法,但分类必须从同一标准出发,做到不重复,不遗漏,包含各种情况,同时要有利于问题研究。
四、化归与转化思想
所谓化归思想方法,就是在研究和解决有关数学问题时采用某种手段将问题通过变换使之转化,进而达到解决的一种方法。一般总是将复杂的问题通过变化转化为简单的问题,将难解问题通过变换转化为容易求解的问题,将未解决的问题转化为已解决的问题。
所谓数学思想方法是对数学知识的本质认识,是从某些具体的数学内容和对数学的认识过程中提炼上升的数学观点,他在认识活动中被反复运用,带有普遍的指导意义,是建立数学和用数学解决问题的指导思想;是在数学地提出问题、解决问题(包括数学内部问题和实际问题)过程中,所采用的各种方式、手段、途径等。初中数学中常用的数学思想方法有:化归思想方法、分类思想方法、数形结合的思想方法、函数思想方法、方程思想方法、模型思想方法、统计思想方法、用字母代替数的思想方法、运动变换的思想方法等。
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