第一篇:解析法在几何中的应用 -
大庆师范学院物电学院课程论文
解析法在几何中的应用
姓名: 周瑞勇
学号: 20100107146
5专业: 物理学
指导教师: 何巍巍
解析法在几何的应用
周瑞勇
大庆师范学院物理与电气信息工程学院
摘要:通过分析几何问题中的各要素之间的关系,用最简练的语言或形式化的符号来表达他们的关系,得出解决问题所需的表达式,然后设计程序求解问题的方法称为解析法。关键词:几何问题,表达关系,表达式,求解问题
一前 言
几何学的历史深远悠久,欧几里得总结前人的成果,所著的《几何原本》。一直是几何学的坚固基石,至今我国中学教学的几何课本仍未脱离他的衣钵。长期的教学实践证明,采用欧式体系学习几何是培养学生逻辑思维能力的行之有效的方法。
但是,事物都有两重性。实践同样证明,过多强调它的作为也是不适当的。初等几何的构思之难,使人们为此不知耗费了多少精力,往往为寻求一条神奇、奥秘的辅助线而冥思苦索。开辟新的途径,已是势在必行。近些年来,用解析法、向量法、复数法、三角法证明几何问题,受到越来越多的数学工作者的重视。
由于平面几何的内容,只研究直线和园的问题,所以我们完全可以用解析法来研究几何问题。解析法不仅具有几何的直观性,而且也还有证明方法的一般性。综合几何叙述较简,但构思困难,而解析法思路清晰,过程简捷,可以作为证明几何问题中一种辅助方法,两者课去唱补短,想得益彰。
二解析法概述
几何数学主要是从几何图形这个侧面去研究客观事物的,其基本元素是点,代数学则主要是从数量关系这个侧面来研究客观事物,其基本元素是数。笛卡尔综合了前人的成果,创立了坐标概念,把代数学和几何学结合起来,于是产生了以研究点的位置和一对有序实数的关系、方程和曲线以及有研究连续运动而产生的一般的变量概念为主要内容的新的数学分支——解析几何学。
平面几何是研究平面图形性质的科学。组成平面图形的元素是点、线(包括曲线)。平面解析几何采用了坐标系,用代数方法来研究平面几何图形。所以。平面几何和平面解析几何是紧密联系的。我们通过坐标系,把几何问题转化为用代数的方法来论证。这种方法称为解析法。
三用解析法的几何证明
证线段的相等:用解析法证线段相等,首先求出有观点的坐标,运用两点间距离公式。此外还可以利用点到直线的距离公式,直线内分线段比公式(证其比值为1),以及利用中心对称或轴对称的点的坐标来证明。
证角的相等:利用直线斜率的定义,分别求出夹这两个角的边的斜率,利用两条直线夹角公式得到这两个角的正切值相等,在判定这个角是在某一个单调区间内则它们相等。
证两直线平行或垂直:先求出有关点的坐标,证这两条直线的斜率相等;若斜率不存在时,证这两直线于y抽平行;若有一条直线重合于坐标轴,证另一条直线有两点纵坐标或横坐标相等。
证不等问题:用两点间距离公式,两条直线夹角公式把它转化为证明不等式问题,从而运用不等式的性质来证明。
证点共线或线共点:建立经过任意两点的直线方程,然后验证其余点都适合这个方程;或运用两点之间距离公式或直线内外分段成比例公式证其满足梅氏定理的逆定理。
证点共圆或园共点:求出有关各点,利用两点间距离公式证诸点到某一点的距离相等;或先建立经过三点的园的方程,然后证其余点适合圆的方程。
证比例式或等积式:运用两点间距离公式求出线段的长度,再证它们的比相等或求出它们的乘积加以比较。
证定值问题:先写出固定点的坐标系建立有关的固定直线(或圆)的方程,并运用两点距离公式和两直线夹角公式,求出欲证的线段(定长)或直线(定向、定位)与固定图形的元素加以比较,从而说明是定值。
四解析法的几何计算
长度计算:适当建立坐标系求出有关点的坐标以后,常运用两点间公式、点到直线的距离、切线长公式;在求两线段的比时常运用直线内外分线段比公式。
角度的计算:求出用有关点的坐标,利用斜率定义、两条直线夹角公式得到欲求角度的正切值,再利用正切函数在某一区间的单调性求出角的度数。
面积的计算:运用有三点坐标做确定的上三角形的面积公式及四点坐标所确定的四边形面积公式。
五结论
我们可以运用解析法,同时要善于使用平面直角坐标系、极坐标系、斜坐标系、空间直角坐标系中的有关公式和方程来解决解决问题。
参考文献:
[1]陈德华.例谈解析法诱导综合法解初等几何题.蒙自师范高等专科学校学报.编辑部邮箱 2002年 04期.[2] 孟利忠.强化解析法在立体几何中的应用 数学通讯, 2001,(13).[3] 刘翠英.关于高等几何对初等几何教学指导的几个问题 [J].高等函授学报(自然科学版), 2006,(04)
第二篇:空间向量在几何中的应用
空间向量在立体几何中的应用
一.平行问题
(一)证明两直线平行
A,Ba;C,Db,a|| b
若知AB(x1,y1),CD(x2,y2),则有x1y2x2y1a||b
方法思路:在两直线上分别取不同的两点,得到两向量,转化为证明两向量平行。
(二)证明线面平行
线 a面,A,Ba,面 的法向 n,若ABn0ABnAB .方法思路:求面的法向量,在直线找不同两点得一
向量,证明这一向量与法向量垂直(即证
明数量积为0),则可得线面平行。
(三)面面平行
不重合的两平面 与 的法向量分别是 m 和 n,mn||
方法思路:求两平面的法向量,转化为证明
两法向量平行,则两平面平行。
二.垂直问题
(一)证明两直线垂直
不重合的直线 a 和直线 b 的方向向量分别为 a 和 b,则有ab0ab
方法思路:找两直线的方向向量(分别在两直线上各取两点得两向量),证明两向量的数量积为0,则可证两直线垂直。
(二)证明线面垂直 直线 l的方向向量为 a,e1,e2是平面 的一组基底(不共线的向量), 则有 ae10且ae20a
方法思路:证明直线的方向向量(在两直线上取两点得一向量)与
平面内两不共线向量的数量积都为0(即都垂直),则可证线面垂直。
(三)证明面面垂直 不重合的平面 和 的法向量分别为m 和 n,则有 mn0
方法思路:找两平面的法向量,只需证明两向量
数量积为为0,则可证明两平面垂直。
三.处理角的问题
(一)求异面所成的角
a,b是两异面直线,A,Ba,C,Db,a,b所成的角为,则有cos|cosAB,CD| ABCD|AB||CD|
方法思路:找两异面直线的方向向量,转化为向量的夹角问题,套公式。
(但要理解异面直线所成的角与向量的夹角相等或互补)。
(二)求线面角
设平面 的斜线 l 与面所成的角为,若A,Bl,m是面的法向量,mAB 则有sin.mAB
方法思路:找直线的方向向量与平面的法向量,转化为
向量的夹角问题,再套公式。(注意线面角与两
向量所在直线夹角互余)
(三)求二面角
方法1.设二面角l 的大小为 ,若面, 的法向量分别为 m 与 n.mn(1)若二面角为锐二面角,即(0,)则有cos.2mn
(2)若二面角为钝二面角,即(,)2 mn则有cos.mn
四.处理距离问题
(一)点到面的距离d 任取一点Q 得 PQ, m是平面 的法向量,则有:点P到 PQm面 的距离d=PQcos(向量PQ在法向量m 的投影的长度)|m|
(二)求两异面直线的距离d
知a,b是两异面直线,A,Ba,C,Db,找一向量与两异面直线都垂直的向量m,ACm则两异面直线的距离 dACcos=|m|
方法思路:求异面直线的距离,先找一向量与两异面直线都垂直的向量m,然后分别在两异面直线上各任取一点A,C,则其距 ACm离 d 就是AB在向量m上的投影的长度,距离d|m|
Ps:向量 m 与异面直线a、b 都垂直,可用方程组求出 m 的坐标.五.如何建立适当的坐标系
1.有公共顶点的不共面的三线两两互相垂直
例如正方体、长方体、底面是矩形的直棱柱、底面是直角三角形且过直角顶点的侧棱垂直于底面的三棱锥等等。
2.有一侧棱垂直底面
OC底面OAB
()1OAB是等边三角形
(2)OAB是以OB为斜边的直角三角形
(1)(2)
(3)PA底面ABCD,且四边形ABCD是菱形
(4)PA底面ABCD,且四边形ABCD是ABC=60的菱形
(3)
3.有一侧面垂直于底面
(4)
(1)在三棱锥S-ABC中,ABC是边长为4的正三角形,平面SAC底面ABC,且SASC(2)四棱锥P-ABCD中,侧面PCD是边长为 2 的正三角形,且与底面垂直,底面ABCD是ADC60的菱形
.(1)(2)
两平面垂直的性质定理:若两面垂直,则在其中一面内垂直于它们的交线的直线垂直于另一平面,转化为有一线垂直于底面的问题.4.直棱柱的底面是菱形正四棱锥正三棱锥
第三篇:浅谈向量在几何中的应用
浅谈向量在几何中的应用
宁阳四中 271400 吕厚杰
解决立体几何问题“平移是手段,垂直是关键”,空间向量的方法是使用向量的代数方法去解决立体几何问题。两向量共线易解决平行,两向量的数量积则易解决垂直、两向量所成的角、线段的长度问题。合理地运用向量解决立体几何问题,在很大程度上避开了思维的高强度转换,避开了添加辅助线,代之以向量计算,使立体几何问题变得思路顺畅、运算简单。
1.证平行、证垂直
具体方法利用共线向量基本定理证明向量平行,再证线线、线面平行是证明平行问题的常用手段,由共面向量基本定理先证直线的方向向量与平面内不共线的两向量共面,再证方向向量上存在一点不属于平面,从而得到线面平行。证明线线、线面垂直则可通过向量垂直来实现。
例1 如图1,E、F分别为空间四边形ABCD中AB、CD的中点,证明AD、EF、BC平行于同一平面。
图1 证明:又
所以,且即
可知,与 共面,所以EF与AD、BC平行于同一平面。
例2.已知A(1,-2,11),B(4,2,3),C(6,-1,4),则ΔABC是___________。分析:显见:
(3,4,-8),(5,1,-7),(2,-3,1),故ΔABC为直角三角形。
2.求角、求距离
如果要想解决线面角、二面角以及距离问题就要增加平面法向量的知识。定义:如果n⊥α,那么向量n就叫平面α的法向量。
求解方法:
(1)异面直线所成的角α,利用它们所对应的向量转化为向量的夹角θ问题,但,所以
(2)直线与平面所成的角,利用直线的方向向量与平面的法向量夹角的余角(或补角的余角)。如图2:。
图
2(3)求二面角,转化为两平面法向量的夹角或夹角的补角,显见上述求法都避开了找角的繁琐,直接计算就可以了。
求点面距离,转化为此点与面内一点连线对应向量在法向量上投影的绝对值。例3.(2005年高考题)如图3,已知长方体ABCDA1B1C1D1中,AB=2,AA
1=1,直线BD与平面AA1B1B所成的角为30°,AE垂直BD于E,F为A1B1的中点。(1)求异面直线AE与BF所成的角。
(2)求平面BDF与平面AA1B所成二面角(锐角)的大小。(3)求点A到平面BDF的距离。
图
3解:在长方体ABCDA1B1C1D1中,以AB所在直线为x轴,AD所在直线为y轴,AA1所在直线为z轴,建立空间直角坐标系如图3,所以A(0,0,0),B(2,0,0),F(1,0,1),因为直线BD与平面AA1B1B所成的角为30°,所以∠DBA=30°
又AB=2,AE⊥BD,所以AE=1,AD=0),因为E(,0),D(0,(1)因为
所以
即异面直线AE、BF所成的角为
(2)易知平面AA1B的一个法向量m=(0,1,0),设n=(x,y,z)是平面BDF的一个法向量,由
所以取
所以
(3)点A到平面BDF的距离即
在平面BDF的法向量n上的投影的绝对值。
所以
例4.如图4,已知正四棱锥RABCD的底面边长为4,高为6,点P是高的中点,点Q是侧面RBC的重心。求直线PQ与底面ABCD所成的角。
图
4解:以O为原点,以OR所在直线为z轴,以过O与AB垂直的直线为x轴,与AB平行的直线为y轴建立空间直角坐标系。
因为底面边长为6,高为4,所以B(2,2,0),C(-2,2,0),R(0,0,6),所以Q(0,2),P(0,0,3),(0,-1),面ABCD的一个法向量为n=(0,0,1),设PQ与底面ABCD所成的角为α,则。
空间向量在立体几何中的应用体现了数形结合的思想,培养了学生使用向量代数方法解决立体几何问题的能力。目的是将空间元素的位置关系转化为数量关系,将形式逻辑证明转化为数值计算,用数的规范性代替形的直观性、可操作性强,解决问题的方法具有普遍性,大大降低了立体几何对空间想象能力要求的难度。
第四篇:几何画板在数学教学中的应用
几何画板在数学教学中的应用
正安县杨兴中学:秦月
【摘要】在信息技术突飞猛进的今天,传统的教学方式已不能适应现代教育教学的要求。尤其是在数学教学这样一个比较抽象的学科教学中显得尤为突出,那么如何利用现代信息技术为现在的数学教学服务呢!几何画板是当今数学教师运用最为广泛的软件之一,本文将从以下几个方面作介绍几何画板在数学教学中的应用:几何画板在一次函数教学中的应用、在轴对称图形教学中的应用、在勾股定理教学中的应用、在求解实际问题中的简单应用。希望能起到抛砖引玉的作用。
【关键词】几何画板 函数 参数 动点
在传统的数学教学中,教师靠的主要是一张嘴、一支粉笔、一块黑板进行教学。直到今天,尤其是在我们落后乡村学校,由于各种各样的原因,这种教学方式依然主宰当前的数学课堂,显然这种方式已经不能适应当前的教育发展大趋势,如何改变这种现况,那就得借助现代信息技术,找一个适合数学教学的平台。纵观现在常用的软件,几何画板具有操作简单、功能强大的特点,是广大数学教师进行现代化数学教学理想工具。在现代的数学教学中已发挥着越来越重要的作用。
几何画板又不同于其他绘图工具,它能动态地保持给定的几何关系,便于学生自行动手在变化的图形中发现其不变的几何规律,从而打破传统纯理论数学教学的局面,成为提倡数学实验,培养学生创新能力的新新工具。把它和数学教学进行有机地整合,能为数学课堂教学营造一种动态的有规律的数学教学新环境。
一、在一次函数教学中的应用
在几何画板中,可以新建参数(即变量),然后在函数中进行引用并绘制函数图像,通过改变参数的值来观察函数图像的变化,这在传统教学中无法办到。
如在讲解一次函数y=kx+b的图像一节中,如何向学生说明函数图像与参数“K”、“b”的相互关系一直是传统教学中的重点和难点,学生难以理解,教师也难以用语言文字表达清楚;在作图时,要取不同的“k”、“b”的值,然后列表在黑板上画出多个不同的函数图像,再进行观察比较。整个过程十分繁琐,且费时费力。教师和学生的主要精力放在了重复的计算和作图上,而不是通过观察、比较、讨论而得出结论上。整个过程显得不够直观,重点不突出,学生理解起来也很难。然而在几何画板中,只需改变参数“K”、“b”的值,函数图像便可一目了然。如图:
通过不断改变参数“k”、“b”的值,从而得到不同的函数图像,引导学生观察一次函数图像变化的规律。
①当k>0时,函数值随x的增大而增大;②当k<0时,函数值随x的增大而减小;③当b>0时,函数图像相对于b=0时向上移动;④当b<0时,函数图像相对于b=0时向下移动;⑤当|k|越大时,函数图像变化越快,图像越陡峭;⑥当|k|越小时,函数图像变化越慢,图像越平滑;
经过我们改变一次函数的参数“K”、“b”的值,函数的图像会随之发生变化,这样学生就很容易理解函数图像变化的规律,从而使学生从更深层次理解一次函数的本质。
二、在轴对称图形教学中的应用
几何画板提供了四种“变换”工具,包括平移、旋转、缩放和反射变换。在图形变换的过程中,图形的某些性质始终保持一定的不变性,几何画板能很好地反应出这些特点。
在讲解轴对称图形的教学中,可充分利用几何画板中提供的图形变换功能进行讲解。首先,画一个任意三角形△ABC,然后在适当的位置画一条线段MN,并把双击它即可将其标识为镜面,这时就可以作△ABC关于对称轴MN的轴对称图形。
△ABC和△A′B′C′关于MN轴对称。任意拖动△ABC的顶点、边、对称轴,虽然图形的位置、形状和大小在发生变化,但两个图形始终关于对称轴MN对称。同时可以观察到△ABC与△A′B′C′沿MN对折后完全重合。
三、在勾股定理教学中的应用
几何画板能动态地保持平面图形中给定的几何关系,利用这一特点便于在变化的图形中发现恒定不变的几何规律。如平行、垂直,中点,角平分线等等都能在图形的变化中保持下来,不会因图形的改变而改变,这也许是几何画板中最富有魅力的地方。在平面几何的教学中如果能很好地发挥几何画板中的这些特性,就能为数学教学增辉添色。如在勾股定理的教学中,直角三角形的三边之间有着必然的联系。要弄清楚它们之间的关系,借助于几何画板,则一目了然。
在几何画板里,先画一个直角△ABC,∠C=900。从图右方的度量值可以发现,AB和AC、BC的长度已经知道,观察AB2与AC2+BC2的关系:
如果拖动顶点A(从a图到b图),我们通过改变直角三角形边的长度,从中观察边的平方的关系,发现这样一个定理:在直角三角形中,始终有斜边的平方等于两条直角边的平方和。
再如,在讲解“赵爽弦图”时,传统的教学方法只能教师在黑板上演算过程,而用几何画板更容易发现其中的不变的规律。
首先,在几何画板中构造一个正方形,然后将经过一个顶点作直线,再通过另一相邻的顶点作这条直线的垂线,得到一个交点。用同样的方法,可得出另外几个关键点,再将这几条垂线隐藏,连接对应的点,即可得到下面这个图形。分别度量AB、AF、FB的长度,最后用不同的方法来计算这个正方形的面积:⑴、直接利用正方形的面积公式;⑵、正方形的面积等于其中四个直角三角形和中间的那个小正方形的面积之和;⑶、直接使用几何画板提供的量度面积命令。这三种方法都可得出这个正方形的面积,注意观察得到的结果都是一样的。
再改变正方形的大小及其组成的直角三角形和小正方形的比例,再来观察这三种计算方法得到的结果是否一致,如下图:
四、在求解实际问题中的应用
利用几何画板不但可以给几何问题以准确生动的表达,成为教师教学上的得力“助手”,还可为教师和学生提供几何探索和发现的一个良好环境,动态是几何画板最主要的特点,也正是基于这一点,许多用一般方法不易解决的问题,用它解决起来就要容易得多,现在举例说明。
如图,已知二次函数y=ax2+bx+3的图像经过A(-1,0)、B(3,0)、N(2,3)三点,且与y轴交于点C。
(1)求顶点M及点C的坐标;
(2)若直线y=kx+d经过C、M两点,且与x轴交于点D,试证明四边行CDAN是平行四边行;
(3)点P是这个二次函数的对称轴上一动点,请探索:是否存在这样的点P,使以点P为圆心的圆经过A、B两点,并且与直线CD相切,如果存在,请求出点P的坐标;如果不存在,请说明理由。
分析:这道目,第(1)、(2)问都比较容易解决,第(3)问就是关于动点的,比较抽象,然而运用几何画板后,情况就变得很明显了,给解题帮助很大。
解:(1)因为二次函数经过点A、B、N,且三个点的坐标都已知,可解得二次函数的解析式为y=-x2+2x+3,可解得: C(0,3);M(1,4)。
(2)在几何画板中连接CN、AN、AD,如图: 由于已经知道C、M两点的坐标,直线y=kx+d又经过C、M两个点,可得直线的解析式为y=x+3。D点是直线与X轴的交点,可得D点的坐标为(-3,0),又因为A点的坐标为(-1,0),所以AD=2。再看C、N两点,其坐标都已知,且纵坐标都为3,可得CN与X轴平行,那么自然就与AD平行了。再由C、N两点的坐标可得CN=2,因此AD=CN;在四边形CDAN中两边AD、CN平行且相等,所以它是一个平行四边形。
(3)这个问题比较抽象,因为点P是动点。我们现在借助几何画板对这种情况进行分析。因为A、B两点是二次函数与X轴的交点,自然关于函数的对称轴对称,两点到对称轴上任意一点的距离相等。故以对称轴上的点为圆心作圆,经过其中一个交点,必定经过另外一个点,因此考虑一个点就行了。
先在二次函数的对称轴上任找一点P,连接AP,再以P为圆心,AP为半径作圆,不断的拖动P点,看看这个圆是否能与直线CD相切。如下图:
从上图中可以看出:图a中P点比较靠近X轴,所作圆与直线CD没有交点;图b中,P点离X轴较远,所作圆与直线CD相交,有两个交点。试想:图a中的P点向上移动的到达图b所在的位置过程中,中间肯定有一个点让圆与直线CD相切,如图c所示。
那么应该怎样求P点的坐标呢!看右图:
过P点作直线CD的垂线,垂足为K,要想使圆P与直线CD相切,实际上PK这时是圆P的半径。即PK=PA时,圆P与直线CD相切。
在△DEM中三个点的坐标都知道,可得DE=EM,因此△DEM是一个等腰直角三角形。同样△PMK也是等腰直角三角形,有:
2KP2=MP2 又因为:AP2=AE2+PE2,MP=ME-PE,KP=AP;其中:AE=2;PE=1;ME=4。
可解得:PE=264,P点的坐标为(1,264)。
解到这里,此题看似已完,但如果你够细心,把P点再上下拖动,会发现在X轴的下方还在一个点能使点圆P与直线CD相切,如下图:
相同的方法,可解得:PE=(264)。由于P点在X轴的下方,所以P点的坐标为(1,-(264))。
因此满足这样的点P在对称轴上有两个点: 即P1(1,264);P2(1,-(264))。
从本题中不难看出,运用几何画板给我们在解决动点问题中提供了很大的帮助,在纸上或黑板上不容易发现的问题,在几何画板上只要轻轻拖动鼠标就很容易发现,从而有效的避免了漏解情况的发生。
几何画板在数学教学中应用远远不止这些,如画直观图,在黑板上画是很费时的,但在几何画板中可用鼠标一点完成。因此,只要我们熟练掌握几何画板功能,多实践,不断与数学教学相结合,相信就能使它在数学教学中发挥的作用。
【参考文献】
[1] 田延斌.《《几何画板》教学实例》.[2] 张淑俊.《《几何画板》在数学教学中的妙用》.
第五篇:几何画板在现代教学中的应用
几何画板在现代教学中的应用
几何画板5.06是几何画板的最新版本,备受数学老师青睐。众多数学老师表示几何画板不仅能够帮助他们制作出生动的几何课件,更加有助于学生理解教学内容,并在长期的教学中提高学生的数学理解能力。本教程将向大家介绍几何在现代教学中的应用。
几何画板在教学中的应用示例
一、几何画板在低年级的应用
低年级的学生很容易被几何画板生动的特性所吸引,从而可以非常迅速地掌握这些基础技巧。几何画板可以帮助学生们在案例中快速地学习和培养数形转换的能力,从而更深刻的了解分数计算、数据统计和代数学。
二、几何画板在代数学中的应用
有些数学问题,虽然可以通过代数演算得到答案,但是还是会觉得不够直观,给人知其然而不知其所以然的感觉。这时,我们可以借助几何画板,画出数学图形,从几何的角度审视原题,帮助学生更直观地理解原题中的数学本质。
三、几何画板在几何学中的应用
利用几何画板可以画出非常精确的图形,必要时还可以将图像“放大”,获得更精细的图像,帮助学生发现解答中的疏忽或错误,并引导学生进一步思考错解 的原因。学生还可以通过直接操纵几何图形的构造、变换、测量和动画进行深入的概念理解并提高学习信心,还可以有效地促进学生之间的学习交流及他们的推理和 证明的能力。
四、几何画板在高等数学中应用 几何画板不仅为数学实验提供可操作的模型,而且为数学猜想提供验证的工具。如学生们可以使用几何画板绘制以几何图形为代表的复杂图形、为微积分等创 建动态模型。除了强大的函数绘图功能,了解几何画板那高级教程的学生还可以使用自定义工具、基因座、自定义转换、数字和几何迭代等功能来构建或编辑数学模 型。
综上所述,可见在现代教学中几何画板的应用还是比较广泛,是全国初高中人教版教材指定软件。几何画板5.06版本在之前的版本基础上进行了大量的改进,可以为广大用户带来更加高效便捷的使用体验。