生活中的数学 高中数学校本课程.doc
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1、生活中的数学校本课程目录第一讲:生活中的趣味数学 第二讲: 数学中的悖论 第三讲:对称自然美的基础第四讲:斐波那契数列第五讲:龟背上的学问第六讲:巧用数学看现实第七讲:运用数学函数方程解决生活中的问题第八讲:生活中的优化问题举例第一讲:生活中的趣味数学1“荡秋千”问题:我国明朝数学家程大位(15331606年)写过一本数学著作叫做直指算法统宗,其中有一道与荡秋千有关的数学问题是用西江月词牌写的: 平地秋千未起,踏板一尺离地;送行二步与人齐,五尺人高曾记; 仕女佳人争蹴,终朝笑语欢嬉;良工高士素好奇,算出索长有几词写得很优美,翻译成现代汉语大意是:有一架秋千,当它静止时,踏板离地1尺,将它往前推
2、送10尺(每5尺为一步),秋千的踏板就和人一样高,这个人的身高为5尺,如果这时秋千的绳索拉得很直,试问它有多长下面我们用勾股定理知识求出答案:如图,设绳索AC=AD=x(尺),则AB=(x+1)-5(尺),BD=10(尺)在RtABD中,由勾股定理得AB2+BD2=AD2,即(x-4)2+102=x2,解得x=,即绳索长为尺2方程的应用:小青去植物园春游,回来以后爸爸问他春游花掉多少钱。小青并不直接回答,却调皮地说:“我带出去的钱正好花了一半,剩下的元数是带出去角数的一半,剩下的角数与带出去元数相同。”爸爸踌躇一下,有些为难。你能否帮助他把钱数算出来,小青到底带了多少钱花了多少钱还剩多少钱方法
3、一:设带出去x元,y角.根据剩下的元数是带出去角数的一半知道y是偶数花了的钱分x为奇数与偶数情况(1)x是奇数时候,花一半就是花了=剩下=(x-1)/2元,(y/2+5)角根据后面两句话知道,剩下=y/2元,x角有二元一次方程组:(x-1)/2=y/2,y/2+5=x 解得x=9,y=8(2)x是偶数时候,花一半就是花了=剩下=x/2元,(y/2+5)角剩下的同上面情况有二元一次方程组:x/2=y/2,y/2+5=x 解得x=y=10 但是没有10角钱说法 不符合实际(舍)答案是9元8角方法二:设带出去X元Y角,还剩a元b角 按照用掉一半还剩一半的等式: 10a + b = ( 10x + y
4、)/ 2 又因为: a = y / 2 b = x 带入等式化简即可得:x / y = 9 / 8 因为 y 只能是小于10的整数 所以,小青带了9元8角!用了4元9角,还剩4元9角!3工资的选择:假设你得到一份新的工作,老板让你在下面两种工资方案中进行选择:(A) 工资以年薪计,第一年为4000美元以后每年加800美元;(B) 工资以半年薪计,第一个半年为2000美元,以后每半年增加200美元。你选择哪一种方案为什么答案:第二种方案要比第一种方案好得多4我们大家一起来试营一家有80间套房的旅馆,看看知识如何转化为财富。 经调查得知,若我们把每日租金定价为160元,则可客满;而租金每涨20元,
5、就会失去3位客人。 每间住了人的客房每日所需服务、维修等项支出共计40元。 问题:我们该如何定价才能赚最多的钱 答案:日租金360元。 虽然比客满价高出200元,因此失去30位客人,但余下的50位客人还是能给我们带来360*50=18000元的收入; 扣除50间房的支出40*50=2000元,每日净赚16000元。而客满时净利润160*80-40*80=9600元。 当然,所谓“经调查得知”的行情实乃本人杜撰,据此入市,风险自担。 第二讲 数学中的悖论 “悖论”也可叫“逆论”,或“反论”,这个词的意义比较丰富,它包括一切与人的直觉和日常经验相矛盾的数学结论,那些结论会使我们惊异无比。悖论有三种
6、主要形式。1一种论断看起来好像肯定错了,但实际上却是对的(佯谬)。2一种论断看起来好像肯定是对的,但实际上却错了(似是而非的理论)。3一系列推理看起来好像无懈可击,可是却导致逻辑上自相矛盾。悖论有点像魔术中的变戏法,它使人们在看完之后,几乎没有个不惊讶得马上就想知道:“这套戏法是怎么搞成的”当把技巧告诉他时,他就会不知不觉地被引进深奥而有趣的数学世界之中。正因为如此,悖论就成了一种十分有价值的教学手段。悖论是属于领域广阔、定义严格的数学分支的一个组成部分,这一分支以“趣味数学”知名于世。这就是说它带有强烈的游戏色彩。然而,切莫以为大数学家都看不起“趣味数学”问题。欧拉就是通过对bridge-c
7、rossing之谜的分析打下了拓扑学的基础。莱布尼茨也写到过他在独自玩插棍游戏(一种在小方格中插小木条的游戏)时分析问题的乐趣。希尔伯特证明了切割几何图形中的许多重要定理。冯纽曼奠基了博弈论。最受大众欢迎的计算机游戏生命是英国著名数学家康威发明的。爱因斯坦也收藏了整整一书架关于数学游戏和数学谜的书。悖论一览 1 理发师悖论(罗素悖论):某村只有一人理发,且该村的人都需要理发,理发师规定,给且只给村中不自己理发的人理发。试问:理发师给不给自己理发 如果理发师给自己理发,则违背了自己的约定;如果理发师不给自己理发,那么按照他的规定,又应该给自己理发。这样,理发师陷入了两难的境地。 2 芝诺悖论阿基
8、里斯与乌龟:公元前5世纪,芝诺用他的无穷、连续以及部分和的知识,引发出以下著名的悖论:他提出让阿基里斯与乌龟之间举行一场赛跑,并让乌龟在阿基里斯前头1000米开始。假定阿基里斯能够跑得比乌龟快10倍。比赛开始,当阿基里斯跑了1000米时,乌龟仍前于他100米;当阿基里斯跑了下一个100米时,乌龟依然前于他10米所以,阿基里斯永远追不上乌龟。 3 说谎者悖论:公元前6世纪,古希腊克里特岛的哲学家伊壁门尼德斯有如此断言:“所有克里特人所说的每一句话都是谎话。”如果这句话是真的,那么也就是说,克里特人伊壁门尼德斯说了一句真话,但是却与他的真话所有克里特人所说的每一句话都是谎话相悖;如果这句话不是真的
9、,也就是说克里特人伊壁门尼德斯说了一句谎话,则真话应是:所有克里特人所说的每一句话都是真话,两者又相悖。 所以怎样也难以自圆其说,这就是著名的说谎者悖论。公元前4世纪,希腊哲学家又提出了一个悖论:“我现在正在说的这句话是真的。”同上,这又是难以自圆其说!4 跟无限相关的悖论: 1,2,3,4,5,是自然数集: 1,4,9,16,25,是自然数平方的数集。 这两个数集能够很容易构成一一对应,那么,在每个集合中有一样多的元素吗 5 伽利略悖论:我们都知道整体大于部分。由线段BC上的点往顶点A连线,每一条线都会与线段DE(D点在AB上,E点在AC上)相交,因此可得DE与BC一样长,与图矛盾。为什么
10、6 谷堆悖论:显然,1粒谷子不是堆; 如果1粒谷子不是堆,那么2粒谷子也不是堆; 如果2粒谷子不是堆,那么3粒谷子也不是堆; 如果99999粒谷子不是堆,那么100000粒谷子也不是堆; 7、“意外绞刑”悖论:“一名囚犯被法官告知将于周一到周五间的某一天被绞死。 法官并且声明说: 绞刑的具体日期将是完全出人意料的。 这个囚犯非常聪明 (也许以前是逻辑学教授), 他由此推断出他根本不会被绞死,为什么 他由此推断出绞刑一定不会安排在周五, 因为否则的话, 前四天一过他就知道绞刑的具体日期了, 但法官说过具体日期会是完全出人意料的。 法官是不会撒谎的, 因此绞刑不可能在周五。 排除了周五, 就只剩下
11、四天了。 但是依据同样的推理, 周四也可以被排除掉,., 以此类推, 最终每一天都可以排除掉。 于是他得出令人欣慰的结论: 他根本不会被绞死。 可是到了周二法官却突然宣布执行绞刑, 大大出乎了他的意料! 而这, 恰恰证明法官的确没有撒谎。” 1、小丁和小明、小红三个小朋友并排在有灰尘的楼梯上同时从顶上向下走。小明一步下2阶,小红一步下3阶,小丁一步下4阶,如果楼顶和楼底均有所有三个人的脚印,那么仅有一个人脚印的楼梯最少有几级2、偶数的难题在很久以前,一个年迈的国王要为自己的独生公主选女婿,一时应者如云。国王于是想出了比武招亲的办法。经过文试、武试,三个英俊的小伙子成为最后的人选。要从这三个难分
12、高下的小伙子中选出一个女婿来,可真难为了国王。他绞尽脑汁想出了一个方法。国王命人拿出一个4*4的方格,将16枚棋子依次放在16个方格中。国王对三个小伙子说:“现在你们从这枚棋子中随便拿去个,但要保证纵、横行列中留下的都是偶数枚棋子。这三个小伙子犯难了,最后,其中一个小伙子终于解开了这道难题,迎娶了公主。请问这个小伙子是怎样解开这道难题的第三讲: 对称自然美的基础在丰富多彩的物质世界中,对于各式各样的物体的外形,我们经常可以碰到完美匀称的例子。它们引起人们的注意,令人赏心悦目。每一朵花,每一只蝴蝶,每一枚贝壳都使人着迷;蜂房的建筑艺术,向日葵上种子的排列,以及植物茎上叶子的螺旋状颁都令我们惊讶。
13、仔细的观察表明,对称性蕴含在上述各种事例之中,它从最简单到最复杂的表现形式,是大自然形式的基础。 花朵具有旋转对称的性征。花朵绕花心旋转适当位置,每一花瓣会占据它相邻花瓣原来的位置,花朵就自相重合。旋转时达到自相重合的最小角称为元角。不同的花这个角不一样。例如梅花为72,水仙花为60。“对称”在生物学上指生物体在对应的部位上有相同的构造,分两侧对称(如蝴蝶),辐射对称(放射虫,太阳虫等)。我国最早记载了雪花是六角星形。其实,雪花形状千奇百怪,但又万变不离其宗(六角星)。既是中心对称,又是轴对称。 很多植物是螺旋对称的,即旋转某一个角度后,沿轴平移可以和自己的初始位置重合。例如树叶沿茎杆呈螺旋状
14、排列,向四面八方伸展,不致彼此遮挡为生存所必需的阳光。这种有趣的现象叫叶序。向日葵的花序或者松球鳞片的螺线形排列是叶序的另一种表现形式。 “晶体闪烁对称的光辉”,这是俄国学者费多洛夫的名言。无怪乎在古典童话故事中,奇妙的宝石交织着温馨的幻境,精美绝伦,雍容华贵。在王冠上,以其熠熠光彩向世人炫耀,保持永久不衰的魅力。第四讲: 斐波那契数列斐波那契数列在自然界中的出现是如此地频繁,人们深信这不是偶然的。(1)细察下列各种花,它们的花瓣的数目具有斐波那契数:延龄草、野玫瑰、南美血根草、大波斯菊、金凤花、耧斗菜、百合花、蝴蝶花。(2)细察以下花的类似花瓣部分,它们也具有斐波那契数:紫宛、大波斯菊、雏菊
15、。斐波那契数经常与花瓣的数目相结合:3百合和蝴蝶花 5蓝花耧斗菜、金凤花、 飞燕草 8翠雀花 13金盏草 21紫宛 34,55,84雏菊 (3)斐波那契数还可以在植物的叶、枝、茎等排列中发现。例如,在树木的枝干上选一片叶子,记其为数0,然后依序点数叶子(假定没有折损),直到到达与那息叶子正对的位置,则其间的叶子数多半是斐波那契数。叶子从一个位置到达下一个正对的位置称为一个循回。叶子在一个循回中旋转的圈数也是斐波那契数。在一个循回中叶子数与叶子旋转圈数的比称为叶序(源自希腊词,意即叶子的排列)比。多数的叶序比呈现为斐波那契数的比。(4)斐波那契数有时也称松果数,因为连续的斐波那契数会出现在松果的
16、左和右的两种螺旋形走向的数目之中。这种情况在向日葵的种子盘中也会看到。此外,你能发现一些连续的鲁卡斯数吗(5)菠萝是又一种可以检验斐波那契数的植物。对于菠萝,我们可以去数一下它表面上六角形鳞片所形成的螺旋线数。斐波那契数列与黄金比值相继的斐波那契数的比的数列: 它们交错地或大于或小于黄金比的值。该数列的极限为。这种联系暗示了无论(尤其在自然现象中)在哪里出现黄金比、黄金矩形或等角螺线,那里也就会出现斐波那契数,反之亦然。第五讲: 龟背上的学问传说大禹治水时,在一次疏通河道中,挖出了一只大龟,人们很是惊讶,争相观看,只见龟背上清晰刻着图1所示的一个数字方阵。这个方阵,按孙子算经中筹算记数的纵横相
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