在中学数学学习中,我们已经开始接触数形结合思想方法及其相关应用,发现中学数学几乎每个章节都需要“数形结合”这个工具,它能很巧妙的避开很多数学解题中所谓的“弯路”,使问题变的更加简洁。本文结合中学数学教学和学习相关事例,简单的介绍了“数形结合”思想方法及其应用,共写了三方面内容:数形结合思想方法、数形结合思想方法的应用、数形结合思想方法的培养及其作用。
数学是一门比较抽象且计算精巧的学科,数学思想方法在教学中的重要性日趋凸显,显然数学思想方法是数学的核心和灵魂,是其发展的源泉和动力。在中学教学当中我们主要研究的是数学的两个大的侧面,就是数和形,所以想更深入的解决中学数学问题,实现数与形的结合(数形结合思想方法)是其必然趋势。
所谓数形结合思想方法,其实就是在研究数学问题的时候,根据数与形之间的对应关系,通过数形之间的互相转化,由数思形、借数解形、数形结合考虑问题的思想方法。
1964年1月华罗庚先生撰写《谈谈与蜂房结构相关数学问题》当中有这样一段话:“数与形,本是想倚依,焉能分作两边飞。数无形时少直觉,形少数时难入微。数形结合百般好,隔离分家万事非;切莫忘,几何代数统一体,永远联系,切莫分离!”首次出现了“数形结合”一词。华罗庚先生很深刻的说明了“数形结合”思想方法的重要性,有助于把握数学问题的本质。“数形结合”思想方法其实就是把数学当中的数量关系等相关问题与几何图形和图像联系在一起,使其互取长补短,相辅相成,实现逻辑思维与形象思维的共同发展。
数的产生源于计数,在古代便有了计数,当时很多抽象的数都是通过很多具体的图形来表现出来的,直到出现了关于数的很多抽象符号,这也算是数摆脱了形的约束,历史最长的计数工具无疑是中国的算盘了,随着发展数的表示越来越简约,更加丰富了数的多样性,拓展了人们对数的认识。
数学大致可以分为研究数量关系和研究空间形式两种。纵观整个数学研究,无论是初等还是高等数学,无不是数和形两个研究对象。数学的发展都是随着对数与形两个最基本概念的提炼演变发展来深入展开的。
真正实现数与形结合当属在古希腊时期,毕达哥拉斯学派通过几何图形探讨整数的相关性质,深入研究了多边形的“形数”;在我国古代的《九章算术》中,解决的是关于方田、少广、商田、勾股等相关问题,这些都属于当时社会和生活方面的一些问题,其都归纳出了很好的解决方法,无论是在用计算解决相关图形的求积问题还是用形解释数的算法;古希腊亚历山大时期,欧几里得就通过“几何”的方法来探究代数相关问题,慢慢发现几乎所有的代数问题都能转化成几何方面的问题,使解决方法更加多样和简便;例如,为了表示,在直角三角形中单位长度作为两直角边,斜边就可表示为;
显然数形结合思想在当时起着很重要的推动作用。随着数学的进一步发展,其研究更加深入,人们对数与形的研究更加入微,于是在现实世界中将数量关系和空间形式分离出来进行单独的研究,代数和几何由此而诞生。在17世纪上半叶,法国数学家笛卡儿以坐标为桥梁,在点、数对和曲线与方程之间建立对应关系,用代数的方法来研究几何内容,创立出解析几何学,这实现了数形之间的完美结合,数学得到了空前的发展。随着解析几何的诞生,曾经在几何学中困扰多年无法解决的问题也都能借助代数方法圆满解决。如倍立方、三等分任意角和化圆为方等尺规作图“三大不能问题”。将几何问题代数化在近代数学中也具有相当广泛的应用价值,解析几何的诞生为几何研究提供了新方法,对形的认识也从静态到动态,充分显现了“数形结合”思想的本质。
数形之间的内在联系,让几何学获得有力的代数化工具,也使很多代数学和数学分析课题具有鲜明的直观性;通过借用几何术语或者运用了几何方法,开拓出多个新的研究方向。线性代数借用了几何学中空间和线性等概念与类比方法,从而让自身获得快速发展。在现代数学中,将一个个函数看做一个个点,这样就将某类函数全体看作一个空间,称为函数空间,因此就得出各种无穷维的函数空间。微分积分方程组的求解,就可转换位函数空间中几何变换不动点问题。抽象的问题也就能给人一种直观的几何意义。
数形结合思想在数学发展中起着极其重要的作用,他将缺乏直观性的代数和缺乏严密性的几何有机结合在一起,互取长补短,突破思维的枷锁,法国数学家拉格朗日在《数学概要》中说过:“只要代数同几何分道扬镳,它们的进展就缓慢,它们的应用就狭窄。但是当两门科学结合成伴侣时,它们就互相吸取新鲜的活力,从那以后,就以快速的步伐走向完善。”