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最合理的圖形形态

時尚 更新时间:2024-12-24 13:16:42

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。

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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。

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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"。

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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!

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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?

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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。

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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。

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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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