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北師大版《數學》九上P187有一道習題:任意說出3個正數,以這3個數為邊長一定能圍成一個三角形嗎?一定能圍成一個鈍角三角形嗎?請設計一個試驗估計圍成一個鈍角三角形的概率.一.以任意3個正數a<b<c為邊長,圍成鈍角三角形的條件是什麼?3個正數為邊長圍成三角形的條件:a+b>c,這是大家都知道的,但是要圍成鈍角三角形則啊a,b,c滿足什麼條件呢?讓我們先回顧圍成直角三角形的條件:a^2+b^2=c^2,此時,c邊所對的角最大且為直角。
顯然當a^2+b^2≠c^2時,c邊所對的角最大,但非直角!
追問一句,此時,不是直角是什麼角?
——銳角或鈍角。
——好的!從角的分類來說隻有三種情況:銳角、直角、鈍角。排除一種(直角),當然還有兩種可能。那麼a^2+b^2與c^2,其值的也有三種情況:小于、等于、大于。排除一種(相等),勢必也有兩種可能:小于或大于。
自然聯想到它們之間的達成某種默契:
結論
以任意三個正數0<a<b<c為邊長,圍成鈍角三角形的條件:a+b>c,a^2+b^2<c^2.
二.換一個角度再解讀圍成鈍角三角形的條件:a+b>c,a^2+b^2<c^2.弄清楚圍成鈍角三角形的條件後,我們是不是迫不及待地進行試驗啦?
當然是可以的,不過可以預見試驗的效度、信度肯定不高。沒有更好的辦法呢?讓我們繼續探究下去,或許可以找到更好的辦法。
圍成鈍角三角形的條件:a+b>c,a^2+b^2<c^2.
将這兩個不等式進一步變形(右邊都變成“1”)得
a/c+b/c>1,(a/c)^2+(a/c)^2<1
設x= a/c,y= b/c,則有x+y>1,x^2+y ^2<1,其中0<x<1,0<y<1.
讓我們從函數的角度,再來解讀圍成鈍角三角形的條件:
x+y>1的含義:x+y=1表示直線y=-x+1上所有點,若x+y≠1,則表示直線外的所有點,這個描述顯然還不夠“精細”,自然想到x+y≠1,意味着x+y<1或x+y>1,其含義必然對應着直線的下方與下方(的所有點組成的區域).
類比聯想
x^2+y ^2<1,x^2+y ^2=1(圓心在坐标原點,半徑為1的圓),x^2+y ^2>1,也有類似的含義(見下表).
解讀圍成鈍角三角形的條件:x+y>1,x^2+y ^2<1,其中0<x<1,0<y<1的含義:
直角坐标平面内,0<x<1,0<y<1,即正方形區域(0,0)(1,0),(1,0)(1,1)的内部(不包括邊界);x+y>1,即直線y=-x+1的上方;x^2+y ^2<1,即圓心在原點,半徑為1的圓形區域内部。所以圍成鈍角三角形的條件就與這三個區域的公共區域内(如圖所示的弓形區域,不包括邊界)的随機點的橫、縱坐标相關(即以該區域内任一點的橫坐标= a/c,縱坐标= b/c)。
三.設計試驗方案
畫一個邊長為1的正方形,再以一個頂點為圓心,邊長為半徑畫弧(1/4圓周),并連結弧的兩端(正方形的一條對角線)向這個正方形内随機投擲骰子,分别統計投擲骰子落在正方形區域的次數m, 骰子落在弓形區域的次數n,計算出骰子落在弓形區域的頻率n/m,按統計(用頻率估計概率)原理,這個頻率n/m就是以任意3個正數為邊長圍成鈍角三角形的概率.
用電腦模拟這個試驗,試驗結果(如圖)
四.綜述
1.從以任意三個正數為邊長圍成三角形、鈍角三角形的概率問題轉化到向一正方形區域擲骰子問題,這個思維跨度是非常大的,對學生來說不亞于一次時空穿越,帶給他們感受是非常震撼的。從看問題的視角來說,除了對二元二次方程x^2+y ^2=1表示圓陌生外(在耐心引導下,部分學生還是能夠感受到),其他一元一次、二元一次不等式的幾何意義(表示平面區域)能夠自主總結出來,從而從數、式、形三個層面,給他們提供了如何看待函數、方程、不等式的全方位視角。
2.從思考問題的方法來看,引申、轉化、化歸、類比、對應、整體、統計思想這些方法的綜合運用,對培養和發展學生分析問題、解決問題的能力,本問題也是難得的教學素材。
3.還有對統計思想、統計方法的滲透。在這個問題中,骰子落在弓形區域的概率P(弓形)是可以計算的,這個概率為(π-2)/4≈0.2854,它與圓周率有關,因而可以利用試驗所得(骰子落在弓形區域的)頻率來代替概率,從而測得圓周率PI的值(PI=4 P(弓形)+2),這種“計算”圓周率的方法,對初中學段的學生來說,簡直不可思議!是萬萬想不到的。與祖沖之割圓術計算圓周率,從思想方法到技術存在巨大反差,對學生而言,也是突破傳統思維,發展創新思維的鮮活案例。這種試驗方法統計學上,稱之為蒙特卡羅方法。它被廣泛運用于科學研究、軍事、金融、公用事業等諸多領域。
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