初中数学的难点,主要有两个:一个是代数中的因式分解;另一个就是几何中的证明。这两类问题为什么难呢?原因很简单,这两类问题都没有一个固定的解题思路。要解决这类问题,只能利用“发散思维”来解决,什么叫发散思维呢?所谓发散思维就是不能“一条道儿走到黑”,我们必须多方面、多角度的去尝试,最后指不定通过哪条路线能解决问题。而与之相对的另一种思维飞昂视就叫线性思维。能用线性思维解决的问题都有相对固定的套路:
比如我们在解方程的时候,咱不管它是二元一次方程,还是一元二次方程,不管这个题目多么复杂,都可以按照移项、合并同类项、消除系数、套用公式这些步骤逐步解决,像这类问题,即使你采用了一条道儿走到黑的方法,也能解决。当然,所谓的线性思维它也不一定就是走直线,它也会偶尔拐个弯儿,但是拐弯儿也不要紧,因为它基本没有别的岔道口儿可走,你只要顺着路线拐过去就行了,就像我们在铁路或者高速上行驶一样,只要顺着道儿走下去,一定不会跑偏。
可是几何证明不行,你走不了多远,就得退回来看看,判断一下是否能够通过其他方法解决,试了一下不行,就再接着返回去,走的更远一点儿。没错儿,这几何证明题,它就是这个特点,任何一种固定的解题思路都是靠不住的,解决所有的几何证明题都只能依靠发散的思维。了解了几何证明题的这种特点,我们就应该知道,解决所有证明题没有什么特殊的高招,根本方法还是:不断试错、不断修正、笔耕不辍、其解自得。我们必须要不停笔的反复在纸上推演计算,不断的列出条件,不断的推导证明,不断的试错,不断的修正啊。但是,几何的定理那么多,题目的条件又那么复杂,我们应该从哪儿下手呢?接下来,我们就谈谈解决证明题的两种基本思路:正向思维和逆向思维:
所谓正向思维,就是根据题目给出的条件和我们头脑中的相关定理逐步推导出最终结论,如果一次推导不出来,那就继续往下推导;而逆向思维呢,就是先看结论,分析一下要想满足这个结论,我们需要用到什么定理,需要凑齐哪些条件,然后结合题意继续追问,这些条件又需要哪些其他条件才能满足。当然了,这只是基本思路,当你遇到的几何题比较复杂的时候,常常需要把这两种思路结合起来,正向推导不行,就逆向推导试试,两边儿凑一凑,条件就越凑越多,等什么时候凑齐了,这题目也就证明出来了,这就像挖山体隧道一样,在一座大山的两侧一起开工,什么时候接上头儿了,什么时候就算通了。不过,如果你像郭德纲说的一样,两条思路没碰上头儿,都把山体给挖通了,那也没关系,那我就要恭喜你,终于学会一题多解了。
了解了正向思维和逆向思维的概念以后,我们就应该明白了,为什么我要让你把所有的知识点通过各种不同的方式进行归纳总结呢?因为如果你只会一种方式的话,你就只会正向思维,不会逆向思维。比如,我问你,三角形全等的判定方法有多少呀,你知道有边角边,角边角,角角边和边边边。但是我问你了,证明一个角等于另一个角有几种证明方法呀,你只能回答出来三角形全等,忘了平行线也能证明,等腰三角形的三线合一也能证明,那可就要耽误事儿了。我们要想快速的解决几何问题,就必须经常把这些定理翻来覆去的折腾,不但要知道给你什么条件能证明什么结论,还应该知道,想要证明什么结论可能用到哪些定理,这些东西如果不能在三五秒钟之内就反应出来,那么你想快速的解题,那是绝不可能的。
我们知道,证明一道几何题要采用发散思维,要想快速解题,还需要正反两种思维方式。那么接下来,我们就介绍一下几何证明的第二个要点:动态看图。所谓动态看图有两层含义:一、我们要避免机械的静态的看图,避免发生误会。我们知道,几乎所有的几何证明题都要依赖于图形,图形可以让我们直观的看到题目中的条件,但同时我们还要知道,看图的时候,也很容易让我们发生误会。
什么样的误会呢? 比如有两个角儿明明在已知条件中是不相等的,可是因为我们画的那个图形中,二者的大小相差很小,我们做题时就很容易发生误会,把两角相等当做一个已知条件去用。其他条件也是类似的:两边儿的长度容易看错,两条直线垂直平行也容易看错,甚至两个三角形全等也很容易看错,那么我们应该如何解决这类问题呢,必须多画几张图。
我们说过,几何学研究的是没有数字儿的数学。因此,绝大多数证明题其实都可以画出无数张图来的,比如:题目让你证明三角形的内角和等于180度,你画一个什么模样的三角形都可以,第一次画了个锐角三角形,第二次就画个直角三角形。如果一个题目很复杂,我们常常要画十几张图才能解决,为什么呀?因为我还得经常在图上勾勾画画:两个角相等需要做标记,两边儿相等也需要做标记,而且,我们还会时不时的增加上两条辅助线,很快一张图就让我们画的乱七八糟了,没关系,我们只要再画一张就可以了。而且,为了避免发生误会,我们在画每一张图的时候,最好跟上一张有所区别,无论是长度还是角度,稍微改变一点儿,效果就不同了。这个解题思路往往就在我们画图的过程中就找到了,这是为什么呢?这是因为,虽然我们画的每张图都不同,但是在这不同的图形里边儿总是有相同的东西,当我们画了十几张,回顾这些内容的时候,往往就会捕捉到那些最有价值的相同点,最终的解题思路就找到了。
对于这个第一层意思,我们还可以用另一种方式来解释,我们可以用运动的观点去看图。虽然几何图形本身是静态的,但是我们要知道,这个图形中哪些部分是可以活动的,哪些地方是不能动的,这样的思维方式相当于我们把图形上的点和线,想象成了钉在一起的棍子,如果这个棍子的长度可以变化的话,我们还可以把它想象成橡皮筋儿,如果我们在自己的头脑中,能把静态的图转变成了动态图像,就能迅速捕捉到,隐藏在变化中的静止不变的核心内容。这就是动态看图的第一层意思。
动态看图的第二层是,我们要把图形中相等的部分或者全等的部分,想象成动态运动的结果,我们在第一公理中知道:相互覆盖的两个图形全等。从这个公理出发,我们不妨可以这样理解:两个全等的图形就是一个东西被挪到了另一个位置。比如:平行线里的同位角,就可以看作是其中一个角沿着一条直线,平移到另一个地方去的结果。我们小学的时候,本来就是通过平移三角板的方式来画平行线的。同时,两个对顶角也可以理解为原来的角在顶点不变的条件下,旋转了180度得到的。还有,在等腰三角形中,我们可以把垂线、中线、角平分线三线合一的结果,当做等腰三角形的一个对称轴,如果它的一半儿翻转180度,就可以得到另一半儿。以上这些方法,就是动态看图的第二层含义。
如果我们看到的几何图形符合平移、旋转和翻转的关系,我们就可以认为这两个图形全等。不过我们要注意一点,这种方式只是为了帮助我们快速理解问题,快速寻找思路。在几何学里并没有所谓的“平移定理”“对称定理”和“旋转定理”,即使我们通过这种方式发现了三角形全等,我们仍然需要用三角形的那几条定理去证明,只不过通过动态看图的方式,可以让我们快速的发现图形关系。
初中是学生的关键期,很多孩子小学成绩很好,一到初中就开始迷茫。还有的孩子小学成绩一般,初中突然开窍,此后一帆风顺。这里主要指的是数学成绩,数学成绩决定学业。几何是初中数学中的重要内容,学习方法比较典型,有代表性,前面的文章涉及的几何知识较少,讲解的学习方法较为粗略,下面就再详细讲解一下,根据前面讲的方法,如何具体学习中学几何知识。
中学教材中的几何学知识很凌乱,定义多,术语多,命题多,内容也很分散,缺乏连贯性和逻辑性,很容易让学生懵圈,下面我就帮大家整理一下知识点,同时介绍如何学习。
几何是对现实中的形状,位置和空间形式的抽象,忽略掉个性的差异,只关注最根本特征,是想象出来的完美空间。
例如:从各种直的树木,物体的棱线,抽象出直线概念。从计算土地的大小,抽象出平面的概念,从月亮和太阳的形状,抽象出圆和球的概念。
只有抽象出来完美的形状和空间形式,才能不受具体物体的个性差异的影响,研究出形状和空间形式的特征和规律,然后把研究出来的知识应用到实际场合,才能得到最精确的近似,如丈量土地大小,计算谷物的多少,比较大树的高矮等。
几何学是典型的公理化理论,也是公理化思想的起源。通过最简单最基本的几个命题推导出所有其他命题。我们所有的科学理论都要遵守这个原则,否则就不是科学,人脑很难学习和应用。像中医就不遵守这个原则,其知识是各种药方的大杂烩,少许的理论是从阴阳五行的推导,概念模糊,推导过程也不遵守最基本的逻辑要求,导致学习和应用极其困难。
公理化思想是科学的起源和基础。只有把知识公理化,才能让人脑学习和应用,大杂烩式的知识只有少数记忆天才才能学会,也只有天才才能应用。而公理化的知识大多数人都能学会,学习只需记忆少数命题和推导方法即可,应用时也是得心应手,针对具体问题,按固定的逻辑就能想到相应的知识来解决。
学习公理化知识的要点就是理解公理为什么是这几个,体会这些公理的基本性,明确概念和定义的来源和明确含义,然后要自己推导一遍所有重要的定理,命题和公式,整理出整个知识体系,记牢重要的命题,在应用时,简单的问题可以从最相关的定理或命题出发推导,难度大的问题可以从最基本的定理甚至公理出发推导。
欧几里得几何学是最基础的几何知识,是从2个公理和5个公设推导出来的。同样学习时,一定要花时间思考为什么5个公设成立,为什么这5个公设是最根本的命题,有没有必要增加或减少一些。一定要花时间体会这些公理的基本性,有没有可能从其他更显而易见的命题推导出这5个公设。
这是学习的第一步,然后就是从这个5个公设,明确各方向上的概念,定义和术语,自己把所有重要命题推导一遍或多遍,整理出整个知识体系,记牢最重要的命题和公式。应用时,同样是简单的问题从最相关的命题出发推导,复杂的从最基本的定理甚至公设出发推导。同时还要做到直观理解。中学的几何学知识比较基础和简单,都可以从实际经验中培养出的直觉去理解。直觉理解会让知识的学习和应用难度大幅降低,幅度没有100倍,也有10倍以上的降低,而且还会让你对知识感兴趣,所以除非是极端抽象的高等数学,所有知识都要尽量直观理解,实在不能直观感受的也要找出类似的经验去比喻。
例如:
三角形的3个边长知道了,通过经验和直觉我们知道这个三角形就确定了,面积和每个角的度数肯定可以计算出来;
四边形的4个边长知道了,通过经验和直觉,我们知道它依然可以压缩和伸长,所以面积和每个角的度数无法计算。
针对直角三角形,如果两条边确定,直觉和经验就能判断面积和各个角度也确定,同样如果知道两条边的比例,直觉也能判断各个角度也确定。用这个直觉,就能很容易理解三角函数的各个知识点。
下面我们大致过一下初中几何学的主要知识点
5个公设(公理):
1. 任意两个点可以通过一条直线连接。
2. 任意线段能无限延伸成一条直线。
3. 给定任意线段,可以以其一个端点作为圆心,该线段作为半径作一个圆。
4. 所有直角都全等。
5. 若两条直线都与第三条直线相交,并且在同一边的内角之和小于两个直角,则这两条直线在这一边必定相交
初中教材中并不是从公理开始讲的,而是从实际经验中讲,这是考虑初中生的理解度,但学到差不多的时候一定要从头再捋捋。教材中的内容有些混乱,东一榔头西一棒,缺乏系统性和条理性,如果老师也没有帮助学生定期整理知识体系,很多学生会越学越吃力。
我们现在就从头开始整理知识:
体会下5个公理的基本性,是不是没有更基础的命题了。
直观掌握重要的概念和术语:点,线,直线,曲线,面,体,平行,角度,余角,互余,补角,互补等。
点的移动或集合形成线,线运动形成面,面运动形成体。
角度是指两条直线相交的情况,从重合到转一圈再回复重合,没有其他的情况。角度大小的规定有两种:一圈360度,和2pi, 规定360度是为了12分之一周和六分之一周的情况,这两个角的正弦和余弦函数值简单,两个角度也很常用,如果用百分制就不能是整数了。规定一圈是2pi,是计算弧长方便。
从平行的定义,利用正向推理或反证法,就能推导出一系列关于平行的命题。如同位角相同,则平行,内错角相同,则平行等等。这些命题都不需要记忆,知道推导过程,然后直觉感受下,然后应用时就能得心应手。
垂直的情况也一样,从垂直的定义, 自己推导一下重要的命题,直觉感受下即可,也不需要记忆。
然后就是三角形的知识,自己推导一下重要的命题和公式,直觉感受下,是不是一定是这样的。如三角形的内角之和等于180度,中线一定相交于一点,角平分线一定相交于一点,中线交点是外接圆心,角平分线交点是内切圆心。正弦定理,余弦定理等。容易推导的不需要记忆,随时可以推导出来,推导稍微难的,公式复杂的而且重要的命题和公式要记忆下,如正弦定理公式和余弦定理公式。三角形知识最重要的知识点是勾股定律,一定要用多种方法亲自推导下,记牢它。
有了三角形的知识,就自然引出三角函数知识,不需要记忆,就记忆几个术语和定义即可,最基础的三角函数定义是直角三角形法,仅针对锐角的情况。直角坐标系中定义和单位圆中定义,就把三角函数的应用范围扩展到0 到360度的所有情况。学习和应用三角函数知识时脑中要有这三种定义的图像。
上面过的是形状和空间方面的知识,下面再过下几何中大小方面的知识。
长短比较简单,唯一要记的是圆周长的公式。
覆盖范围大小的概念叫面积,面积的定义,是图形围住的范围大小。根据完全覆盖的图形面积相等的公理,用小正方形作为单位,用多少个单位正方形表示面积大小。这样就推导出了长方形的面积公式,继而推导平行四边形面积公式,然后三角形面积公式,然后圆面积公式。自己要推导几遍,然后记住公式,尤其是圆面积公式,推导稍微复杂,所以需要牢记。
体积的知识也完全一样,根据定义,然后推导公式。
再体会下图形相似的概念,相似是怎么定义的,是指边长的同比例放大或缩小,那么它们的面积的比值就是边长比例的平方了,体积就是边长比例的立方了。
最后是学习直角坐标系。
坐标系上的每个点的位置用垂线与轴相交的x,y数值对表示,这样两个未知数的方程就可以用坐标系上的图形来表示,这样就实现了方程和图形的等效变换。研究方程可以代替研究图形,研究图形同样可以代替研究方程,求解一元方程可以转化为图形与x轴相交的情况,求解2元方程组就可以转化为2个图形相交的情况。
要理解和记忆常用2元方程的图形和性质,常用图形的二元方程形式和性质,要取一系列点在坐标系上画图形,记牢方程和图形的对应关系。最常见图形的是直线,圆,椭圆,双曲线,渐近线等,最常见的二元方程是:二元一次方程,二元二次方程,二元三次方程,三角函数方程,指数方程等。把方程写成y = f(x)的形式,也叫函数,要重点学习三角函数,指数函数,理解并记牢它们的图形特征,记牢单射函数,双射函数,反函数,共轭函数等常用函数的的定义,理解函数的连续性,理解函数的求导就是线的斜率和切线,函数的积分就是曲线下方的面积。这样就不自觉地学习到了大学数学的内容。
就这样从公理出发,从各个方向,逐渐推导和整理出几何学的知识体系。学习新知识一段时间后,就要从头再整理一遍,把新知识加入到体系中,所有概念,命题和知识点还要直观理解,从经验中体会到它们的正确性,不能直观的,也要用类似经验去比喻。通过这样的方式学习,不但容易学,用时短,而且应用时也能得心应手,不需要大量刷题。而且一旦学会,终生受用。不会像大多数人那样,一出校门,几年内就把知识还给老师。