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数学的融会贯通

数学是融会贯通的。

我通过小学数学阶段的图形面积来具体说明一下。

我们都学习过几何,几何里面要学面积。我们小学阶段,有很大的一个时期,是学习各种图形的面积计算。

我们学会了正方形面积是边长乘以边长,长方形面积是长乘以宽,平行四边形面积是底乘以高,梯形面积是上底与下底之和乘以高除以二,而三角形面积是底乘以高除以二。

这么多公式,是不是安全不相关的一团乱麻呢?

不是的。如果你觉得这里面有很多个知识点,需要分别死记硬背过来,那说明你没有仔细思考这些公式之间的因果关系,没有把它们融会贯通起来。

如果我们稍稍思考一下就会发现,这些面积公式其实都是一个,长方形、平行四边形、梯形、三角形,这些面积公式,都是要把图形用切割拼接的方式,拼成正方形,再进行计算。

也就是说,三角形、梯形、平行四边形、长方形的面积公式,计算的都是切割拼接成正方形以后的面积。

而面积的核心意义,就是正方形。而这恰恰也是面积的单位叫“平方”的根本原因。“平方”这两个字,深切明晰地表明了面积就是用一个“平的”、“方的”的东西来衡量的数量。

我们现在知道了,长方形、平行四边形、梯形、三角形的面积,其实都是把不“平方”的图形,经过切割、拼接以后得到的图形的面积。

那么,扇形呢?扇形可以不可以归入正方形的这种理解呢?

我们可以在脑子里做一个思想实验,把扇形的弧线想象成三角形的一个底,如何?我们立刻就发现了,扇形就是一个底是弧形的三角形。这个三角形的面积,就是这个底乘以高除以二,而这个底的长度就是那段弧线的长度,高度是半径。

我们又知道,圆形其实就是一种特殊的扇形,是一种三百六十度的转了一周的扇形。那么,让我们更进一步,展开想象的翅膀,大胆一点,圆形算不算一种三角形呢?

只要我们够大胆,就会发现圆形可以想象成一种三角形。

它的圆心是三角形的一个顶点,圆周是顶点对应的一条边,而这个三角形的另外两条边,也就是腰,就是半径,还相等,而且因为转了一周,而重合了。

有了这个大胆的想象,我们再看圆形的面积公式,就完全不一样了。它就是一个三角形的面积公式。这个三角形的底长度是圆周率乘以直径,也就是圆周率乘以二倍的半径长度,高是半径,所以面积就是圆周率乘以半径的平方。

经过我们一番天马行空的想象,我们发现扇形、圆形、三角形、梯形、平行四边形、长方形、所有的规则图形,面积都是正方形的变化。我们找到了一棵大树的根,进而可以顺着树干向上,找到它的所有的枝干、叶子。

这就是我们所得到的。

可是,我们如果脑袋瓜子转的更多,就会有一个疑问,这些图形要么是四边形,要么是圆形(扇形),如果是不规则的图形,要怎么计算呢?

如果有一个小学生,通过自己的思考,认为不规则的图形,可以分割成很小的规则图形来汇总计算。那么我们应该恭喜他,祝福他,因为他已经知道了面积的本质意义,而且摸到了微积分大门的钥匙了。只要他掌握了更多数学工具,微积分的神圣殿堂,将任他进去游览。

如果我们学习过微积分,我们就会知道,不规则图形的面积可以通过积分计算。一个函数曲线在直角坐标系里面,跟另外三条边组成的面积,等于这个函数的定积分。

那么,积分可不可以计算规则图形呢?当然可以。

如果这个函数是一个一次函数,也就是线性函数,我们立刻就会发现,定积分计算的面积退化成了普通的三角形、梯形、平行四边形、长方形还有正方形。小学阶段学习的规则图形,属于不规则图形的一种特例,被包含在不规则图形里面,而已。

而所有这些面积的计算,又跟我们的其它应用息息相关。

比如我们经常做的行程问题,工程问题,以及其它所有速度与时间是乘积关系的问题,对应到图形上,不都是一种面积吗?

固定速度v,时间为t,那么路程就是一个以v为宽以t为长的长方形啊。

均匀增加速度从0到v,时间为t,那么路程就是一个以t为底以v为高的三角形啊。

增加速度从0到2πt,时间为t,那么路程就是一个以t为半径的圆啊!

这一点可能不是所有人都想过,其实这种行程问题对应的就是圆形的周长与面积的关系。

再次展开我们想象的翅膀,撒开了胡思乱想一下,一个圆的面积,是不是由它的周长组成的?而如果把半径作为时间的话,则从圆心开始的每一个圈,都是那个半径之下的一个速度,所有这些速度组合在一起,就是最终的圆的面积。

通过想象硬憋出来了,再看看圆形的周长公式,与面积的公式,是不是就是微积分的关系?

经过我们这一番“闭门造车”,在我们的脑子里面,把图形面积、应用题、微积分全都统一起来了。

我们再也不用死记硬背了,我们有了一个提纲挈领的思考角度,尽管这个角度有各种的不严谨,不完美,但是没有关系,只要它可以帮助我们理解数学学会数学就可以了。

而数学的美妙也就在此。即,数学的每一个部分,都不是孤立的需要记忆的知识,而是由统一的逻辑联系在一起。每一个逻辑的环,都对应着一种思考问题的角度。

比如运算法则,其实哪有那么多呢?如果我们从本质上看,只有叠加运算与相对应的逆运算两种变形而已。

道生一,一生二,三生万物。

因为要叠加,于是有了加法。加法的逆是减法。

而加法的叠加是乘法,乘法的逆是除法。

乘法的叠加是乘方,乘方的逆是开方。

再乘方的叠加,是什么呢?

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