勾股定理的一个有趣证明

下图中,ABC是直角三角形;C是直角。如图所示是勾股定理的一个证明。您看明白了吗?

耐人寻味的是这里用到了直角三角形的内切圆,与三边(两直角边和一斜边)分别相切于三点 D,E,F。过这三个切点的半径把圆分成三部分。而每一部分都是对称的!由此首先:

c = (a-r) + (b-r) = a+b – 2r

其中 c 是斜边长,a, b 是两直角边长,r 是这内切圆的半径。

我们于是有

c2 = (a-r + b-r)2

为证勾股定理,余下的就是把上式的右边变化成 a2 + b2. 建立的方法是通过切割面积c2 利用面积相等把切割的小块与 a2 + b2 中的小块完全匹配。(记 O 是内切圆的中心. 注意 D,E,F 是三个切点。)

看一眼如下的推演:

c2 = (a+b-2r)2

c2 = (a+b)2 – 4r (a+b) + 4 r2

c2 = a2 + b2 + 2ab – 4r (a+b-r)

在上面式子中,划掉尾巴上的两项,就是勾股定理。所以我们只要证明:

2 ab = 4r (a+b-r)

即(ab)/2= r (a+b-r). 注意!直角三角形的面积是啥?是 (ab/2). 直角三角形ABC(被过三切点的半径)分成三块:四边形 OFAD,ODBE 还有OECF(正方形):面积分别是 r (b-r), r(a-r), 还有 r2. 加起来,ABC 的总面积不就是 r(a+b-r) ?由此(ab) /2 = r (a+b-r).

之所以说内切圆的使用耐人寻味,是因为在本证明中只是利用切点去分割三角形;割成的三小块:四边形 OFAD,ODBE 还有OECF(正方形)面积都与 r 有关。是不是很有趣?

啊哈! 证明毕。

数学教育:初高中过渡阶段 9-10 年级,基础内容

为什么要写这个题目呢?因为9-10年级是成长的一个重要阶段:在数学方面,以思维的抽象化,逻辑化为特点;通过领会方法来拓宽解题思路,为高中的系统学习打基础。高中学习突然变吃力的孩子,多数可以追溯到这个阶段出现了问题。反之,这个阶段做的好,就能较好完成高中,蛮有兴趣地学好数学。

那么,这阶段要学哪些内容呢?基础的和提高的学习项目有哪些呢?我们来做一个接地气的总体介绍。(接地气的意思,是把包容教育和潜力教育相结合 – 既没假定都是天才,也不耽误有潜力的孩子,让每个学生都在原基础上成长进步:长知识长能力也长解决问题的自信。)

(如果您更关心提高的内容,请点击这里。)

9 年级的核心基础有三点:

一是代数式和简单代数关系(类似y = 2x +3 这样的一次式,或线性),会在坐标系里画一次式图像(一条直线),把文字问题转换成代数关系。比例式,数列猜数等丰富了一次关系。

其二,在形状和数据(ShapeData)方向,形状的分类,面积角度的计算应是已学内容,到了九年级需要在复习基础上全面掌握。数据特征的提取(如平均数)和画图也是主要内容。建立模型,先要理解问题,转换成数学语言或者代数式。

其三,代数式间做运算和等价变换,为高中打基础。常讲“工欲善其事,必先利其器”,理解或推导中等复杂的代数和函数式,离不开代数变换。乘幂是代数式的基础,要熟练掌握。数和式结合,从数过渡到式,如分数 –〉分式,数的平方根 –〉根式;这些以概念为主。九年级以代数式加减和简单乘法为主,复杂(多项)乘除法,分式和根式变换,那是10 年级内容。

按照北美多数地区的教学大纲,二次式,二次函数和二次方程都是11 年级(Math 20)的内容。唯一的例外是勾股定理一般在8/9年级学习,涉及到平方和与开平方根。但没有求解二次方程的内容。有的老师要求会画出 y = x^2 的图像(限于此,不是一般二次式图像)。

10 年级把以上内容系统化,融汇贯通。对于立体的柱,锥形状,要完整掌握其特征和平面展开图的关系。再比方说一次关系,能把数学式和图像结合起来吗?直线有斜率和截距,怎样在应用问题里识别特征,在图像里读取这些特征,或由特征画图像?再进一步,就是求解多变量的一次方程。和九年级比,问题的综合性强些,要多思考,把两个以上的条件(关系)结合起来。做模型的能力,代数运算和变换的能力这时就派上用场了(要有些针对性训练)。重点是多个变量的线性系统(不要太吓人-其实就是二元一次和三元一次方程),会为应用建模型,然后求解。概念上重要的是函数,要理解“一一对应”,懂得定义域和值域,和函数的表示。

核心不是全部。为突出重点,上面有意略去一些如可能性模型(比方从2 红盒和1蓝盒中随便挑1个盒子),若干应用题模式(如速度距离时间 模型等)。再有,我们周围广泛存在着对称性:要熟悉对称的几何描述及在坐标系里用代数如何描述(这些属于形状主题的延伸)。注意到对称是美的形式,对称性关系也是孩子们的最爱。九年级还会接触到什么叫无理数,和有理数有什么区别这样抽象一点的问题。有理数无理数合到一起就是整个实数轴。

拓展一下,代数式从多项式到分式到根式,概念和方法掌握多少,看各位老师的安排,也看学生的造化,能到什么程度。有些内容还会在十一年级中出现和提高。有些老师安排了求解直角三角形 –只限最基本情况,或者延伸到三维立体中(有仰角俯角等)。在教课时我们也不会忽视这些。至于传统几何证明,现课程中删减较多,但对于准备参加数学挑战或竞赛的学生,仍是必学。我将在关于数学提高内容的介绍中更多聚焦关于几何和“模式”(Pattern)这部分。

明确了学什么以后,下一个问题就是怎么学。有道师傅领进门,修行在各人。好的引导再加上自身努力才是最重要的。我们将另文介绍。

最后补充两点:其一,数学是所有科学课程的基础,其方法还渗透到商务和社会研究中。所以值得花些功夫。其二,作为数学学习关键阶段的 初高中过渡阶段,有数学教育者称之为15 岁现象(即15 岁时的数学能力是一个指示器,可预测其一生能够达到的水平)注:凡事不可绝对,但有道理。六岁时算术如神的有后来平平的,而15岁时数学好的优势常可伴随一生。不是说高中不要努力,或者努力没用, 是说高中前下功夫打好基础可收事半功倍之效。–But It’s never too late to learn