古希臘數學家說過,哪裡有數學,哪裡就有美。《數學課程标準》指出:"數學是人類文化的重要組成部分,數學素質是公民所必須具備的一種基本素質。通過在中學階段數學文化的學習,學生将初步了解數學科學與人類社會發展之間的相互作用,體會數學的科學價值、應用價值、人文價值,開闊視野,尋求數學進步的曆史軌迹,激發對數學創新原動力的認識,受到優秀文化的熏陶,領會數學的美學價值,從而提高數學的文化素養和創新意識。"這就要求我們的課堂教學要結合具體的數學内容,有效的滲透數學文化,提高學生的數學素質。下面以畢達哥拉斯樹為例說說數學文化的魅力。
1.畢達哥拉斯樹是什麼?
雖說數學是十分枯燥的,但是科學家總能從中找到無限的樂趣,畢達哥拉斯樹就是由古希臘數學家畢達哥拉斯,利用勾股定理所畫出的一個無限重複圖形,當重複的次數夠多時,就會形成一個樹的形狀,所以也有人稱之為"勾股樹"。
勾股樹的相關結論:
(1).兩個相鄰的小正方形面積的和等于相鄰的一個大正方形的面積。
(2).三個正方形之間的三角形,其面積小于等于大正方形面積的四分之一,大于等于一個小正方形面積的二分之一。
2.畢達哥拉斯樹的簡單畫法
衆所周知勾股定理就是直角三角形的兩個直角邊的平方和,等于斜邊的平方,畢達哥拉斯利用這一點,在初始的大正方形上,做出了兩個全等的小正方形,在以此類推,無限重複的做出各種大小不一的正方形,就形成了茂密的"畢達哥拉斯樹"。
由于三個正方形的内部形成了一個等腰直角三角形,所以通過勾股定理可得,小正方形的邊長是大正方形的√2/2,在通過對小正方形重複上述過程,無限重複下去。如果假設其中的大正方形邊長為1,在增加到第n 次時,會增加2n個小正方形,而每個小正方形的邊長就是√2/2,則每一次增加的面積就是2n×(½√2)=1。
從每一個圖中兩個較小的正方形出發,又可以分别作出一個第三代的勾股定理圖(圖4),就這樣一生二、二生四、四生八,繼續繁殖下去,就長成了圖1那樣的大樹,整棵大樹完全是由勾股定理圖形組成的,把它叫做勾股樹,名副其實,非常恰當。
通過改變第一代勾股定理圖中直角三角形三邊的比例,或者在繁殖過程中适當改變兩條直角邊的方向,可以得到不同圖形的勾股樹,就是另外一幅美麗的勾股樹形圖。 變形啦!變形啦!“妖樹”變形啦!
用GeoGebra繪制的勾三股四弦五勾股樹,它美麗,它漂亮;它象征着生活多姿多彩,數學五彩斑斓;它孕育着人生勇攀高峰,學問永無止境……
3. 畢達哥拉斯樹是無限的嗎?傳說畢達哥拉斯樹的樹種一旦紮根于土中,第一年吸收10點能量破土而出1個方塊木樁,第二年又吸收10點能量抽出2塊方塊木枝,第三年又吸收10點能量發出4塊方塊樹芽,第四年有吸收10點能量長出8塊方塊樹枝,……,此後每一年都會吸收等量的能量向外發出更多更細小的方塊枝條.你能想象那是怎樣一幅絕景嗎?
理論上來看,畢達哥拉斯樹是可以無限重複的,因為将上訴的公式中的n設為無限次後,畢達哥拉斯樹的面積就會趨于無限大。勾股樹的面積也會更加茂密,但是在現實中并非如此。
因為當n大于5時,所有産生的小正方體互相重疊,所以畢達哥拉斯樹的面積其實是有限的。因此畢達哥拉斯樹其實隻能生長在一個6×4的方格中裡,當然具體的值不太容易求出。
4.畢達哥拉斯樹的變種最初的畢達哥拉斯樹中的大正方形和小正方形夾角是不等的,所以有一種畢達哥拉斯樹的變種就是改變夾角,當最開始的大正方形和小正方形之間的夾角變為60度時,中間的三角形就會變成等邊三角形,這樣每一個正方形的邊長都是相等的。
但是這種變種也和正常的畢達哥拉斯樹一樣,是有限的,達到第四步的時候就會發生重疊,最後就會形成一個大六邊形,裡面全是邊長相等的正方形。
知微見著,窺一斑而見全豹,我們應該實現數學文化和人類文明的整合,要搞清楚數學的文化背景,搞清楚數學成就的文化價值,把數學結果的文化品位發掘出來,用文化的視野來看數學, 用數學的眼光來看文化,發展現代數學,弘揚世界的文化。
羅素曾這樣評價數學:如果正确地看它,不但擁有真理,而且也具有至高的美,正像雕刻的美,是一種冷而嚴肅的美。讓我們以數學文化為平台,化"冰冷的魅力"為"火熱的思考"!
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