高中数学合情推理与演绎推理优质课课件.ppt
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1、12.1.1合情推理合情推理2.1 合情推理与演绎推理合情推理与演绎推理2 在日常生活中,人们常常需要进行这样那样的推理。在日常生活中,人们常常需要进行这样那样的推理。例如例如:1 1、什么是推理、什么是推理 推理是人们思维活动的过程,是根据一推理是人们思维活动的过程,是根据一个或几个已知的判断来确定一个新的判断的个或几个已知的判断来确定一个新的判断的思维过程。思维过程。医生诊断病人的病症,医生诊断病人的病症,警察侦破案件,警察侦破案件,气象专家预测天气的可能状态,气象专家预测天气的可能状态,考古学家推断遗址的年代,考古学家推断遗址的年代,数学家论证命题的真伪等等。数学家论证命题的真伪等等。在
2、数学中,证明的过程更离不开推理。在数学中,证明的过程更离不开推理。32 2、数学猜想、数学猜想 数学中有各种各样的猜想,如:歌德数学中有各种各样的猜想,如:歌德巴赫猜想、费马猜想、地图的巴赫猜想、费马猜想、地图的“四色猜四色猜想想”、歌尼斯堡七桥猜想等等。、歌尼斯堡七桥猜想等等。4歌德巴赫猜想提出猜想的过程:歌德巴赫猜想提出猜想的过程:据说歌德巴赫无意中观察到:据说歌德巴赫无意中观察到:3+7=10,3+17=20,13+17=30,他有意把上面的式子改写成:他有意把上面的式子改写成:10=3+7,20=3+17,30=13+17。其中反映了一个规律:其中反映了一个规律:偶数偶数=奇质数奇质数
3、+奇质数奇质数于是,歌德巴赫产生了一个想法:于是,歌德巴赫产生了一个想法:10,20,30都是偶数,那么其他偶数是否也有类似的规律都是偶数,那么其他偶数是否也有类似的规律呢?呢?5显然,第一个等于显然,第一个等于两个奇质数之和的两个奇质数之和的偶数是偶数是6,即,即再看看超过再看看超过6的偶数:的偶数:6=3+38=3+5,10=5+5,12=5+7,14=7+7,16=5+11,1000=29+971,1002=139+863,6 现在,我们来考察一下歌德巴赫提出猜想的过现在,我们来考察一下歌德巴赫提出猜想的过程:程:通过对一些偶数的验证,他发现它们总可以表通过对一些偶数的验证,他发现它们总
4、可以表示成两个奇质数之和,而且没有出现反例。于是,示成两个奇质数之和,而且没有出现反例。于是,提出猜想提出猜想“任何一个不小于任何一个不小于6的偶数都等于两个的偶数都等于两个奇质数之和奇质数之和”。这种由某类事物的部分对象具有某些特征,推出这种由某类事物的部分对象具有某些特征,推出该类事物的全部对象都具有这些特征的推理,或者由该类事物的全部对象都具有这些特征的推理,或者由个别事物概括出一般结论的推理,称为个别事物概括出一般结论的推理,称为归纳推理(简归纳推理(简称归纳)。称归纳)。简而言之,归纳推理是简而言之,归纳推理是由部分到整体、由个由部分到整体、由个别到一般的推理。别到一般的推理。7 应
5、用归纳推理可以发现新事实,获得新结应用归纳推理可以发现新事实,获得新结论,下面是一个数学中的例子。论,下面是一个数学中的例子。例例1 观察图观察图2.1-1,可以发现:,可以发现:1 2 3 4 5 6 71+3=4=22,1+3+5=9=32,1+3+5+7=16=42,1+3+5+7+9=25=52,由上述具体事实能提出怎样的由上述具体事实能提出怎样的结论?结论?可以猜想:前可以猜想:前n 个连续奇数的和等于个连续奇数的和等于n的平方,的平方,即即*()nN21 3(21).nn 8例例2 已知数列已知数列an的第的第1项项a1=1,且,且 可以根据已知的递推公式,算出数列的前几项,可以根
6、据已知的递推公式,算出数列的前几项,然后归纳猜想它的通项公式。然后归纳猜想它的通项公式。11nnnaaa1.nan(1,2,)n,试归纳出这个数列的通项公式。,试归纳出这个数列的通项公式。在例在例1 1和例和例2 2中,我中,我们们通通过归纳过归纳得到了得到了两个两个猜想。猜想。虽虽然然它们它们是否正确是否正确还还有待有待严严格的格的证证明,明,但猜想可以但猜想可以为为我我们们的的研研究提供一究提供一种种方向。方向。9归纳推理所得的结论仅是一种猜想,未必可靠,还归纳推理所得的结论仅是一种猜想,未必可靠,还需证明需证明例如,法国数学家费马观察到例如,法国数学家费马观察到12342222215,2
7、117,21257,2165537 都是质数,于是他用归纳推理提出猜想:任何形如都是质数,于是他用归纳推理提出猜想:任何形如 的数都是质数。的数都是质数。2*21()nnN这就是著名的费马猜想。这就是著名的费马猜想。半个世纪之后,善于计算的欧拉发现,第半个世纪之后,善于计算的欧拉发现,第5个费马数个费马数525214294967297641 6700417F 不是质数,从而推翻了费马的猜想。不是质数,从而推翻了费马的猜想。10 除了归纳,在人们的创造发明活动中,还常常应除了归纳,在人们的创造发明活动中,还常常应用类比。用类比。例如:例如:据说我国古代工匠鲁班类比带齿的草叶和蝗虫据说我国古代工匠
8、鲁班类比带齿的草叶和蝗虫的齿牙,发明了锯;的齿牙,发明了锯;人们仿照鱼类的外形和它们在水中的沉浮原理,人们仿照鱼类的外形和它们在水中的沉浮原理,发明了潜水艇;等等。事实上,仿生学中许多发明的发明了潜水艇;等等。事实上,仿生学中许多发明的最初构想都是类比生物机制得到的。最初构想都是类比生物机制得到的。为了回答为了回答“火星上是否有生命火星上是否有生命”这个问题,科学这个问题,科学家把火星与地球作类比,发现火星具有一些与地球类家把火星与地球作类比,发现火星具有一些与地球类似的特征,如火星也是围绕太阳运行、绕轴自转的行似的特征,如火星也是围绕太阳运行、绕轴自转的行星,也有大气层,在一年中也有季节的变
9、更,而且火星,也有大气层,在一年中也有季节的变更,而且火星上大部分时间的温度适合地球上某些已知生物的生星上大部分时间的温度适合地球上某些已知生物的生存,等等。由此,科学家猜想:火星上可能有生命存存,等等。由此,科学家猜想:火星上可能有生命存在。在。11思考:思考:P72科学家做出上述猜想的推理过程是怎样的?科学家做出上述猜想的推理过程是怎样的?答:在提出上述猜想的过程中,科学家对比答:在提出上述猜想的过程中,科学家对比了火星与地球之间的某些相似特征,然后从了火星与地球之间的某些相似特征,然后从地球的一个已知特征(有生命存在)出发,地球的一个已知特征(有生命存在)出发,猜测火星也可能具有这个特征
10、。猜测火星也可能具有这个特征。12数学研究中也常常进行这样的推理。数学研究中也常常进行这样的推理。例如,在研究球体时,我们会自然地联想到圆。由于例如,在研究球体时,我们会自然地联想到圆。由于球与圆在形状上都有类似的地方,即都具有完美的对球与圆在形状上都有类似的地方,即都具有完美的对称性,都是到定点的距离等于定长的点的集合,因此称性,都是到定点的距离等于定长的点的集合,因此我们推测对于圆的特征,球也可能具有。我们推测对于圆的特征,球也可能具有。圆有切线,切线与圆只交于一点,切点到圆心的圆有切线,切线与圆只交于一点,切点到圆心的距离等于圆的半径,距离等于圆的半径,类比:类比:对于球,我们推测可能存
11、在这样的平面,与球只对于球,我们推测可能存在这样的平面,与球只交于一点,该点都球心的距离等于球的半径。交于一点,该点都球心的距离等于球的半径。平面内不共线的平面内不共线的3个点确定一个圆,个点确定一个圆,类比:类比:猜想空间中不共面的猜想空间中不共面的4个点确定一个球;等等。个点确定一个球;等等。13探究探究P72:类比圆的特征,填写表类比圆的特征,填写表2-1中球的相关特征,并说说推理的过程。中球的相关特征,并说说推理的过程。圆的概念和性质圆的概念和性质球的概念和性质球的概念和性质圆的周长圆的周长圆的面积圆的面积圆心与弦(非直径)中点的连圆心与弦(非直径)中点的连线垂直于弦线垂直于弦.与圆心
12、距离相等的两弦相等,与圆心距离相等的两弦相等,与圆心距离不等的两弦不等,与圆心距离不等的两弦不等,距圆心较近的弦较长距圆心较近的弦较长.以点(以点(x0,y0)为圆心,)为圆心,r为半径为半径的圆的方程为的圆的方程为(x-x0)2 +(y-y0)2 =r2.14类比推理定义:类比推理定义:这种由两类对象具有某些类似特征和其中一类对象这种由两类对象具有某些类似特征和其中一类对象的某些已知特征,推出另一类对象的某些一类对象也的某些已知特征,推出另一类对象的某些一类对象也具有这些特征的推理称为具有这些特征的推理称为类比推理(简称类比)。类比推理(简称类比)。简而言之,类比推理是由特殊到特殊的推理。简
13、而言之,类比推理是由特殊到特殊的推理。15探究探究P74:你认为平面几何中的哪一类图形可以作为四面体的你认为平面几何中的哪一类图形可以作为四面体的类比对象?类比对象?从构成几何体的元素数目看从构成几何体的元素数目看,四面体由,四面体由4个平面围成,个平面围成,它是空间中由数目最少的基本元素(平面)围成的封它是空间中由数目最少的基本元素(平面)围成的封闭几何体;闭几何体;从构成几何体的元素数目看从构成几何体的元素数目看,三角形由,三角形由3条直线围成,条直线围成,它是平面内由数目最少的基本元素(直线)围成的封它是平面内由数目最少的基本元素(直线)围成的封闭图形。闭图形。从这个角度看,我们可以把三
14、角形作为四面体的类比从这个角度看,我们可以把三角形作为四面体的类比对象。对象。16例例3 类比平面内直角三角形的勾股定理,试给出空间类比平面内直角三角形的勾股定理,试给出空间中四面体性质的猜想。中四面体性质的猜想。BCAacbPFEDS1S2S3解:考虑到直角三角形的解:考虑到直角三角形的两条边互相垂直,我们可两条边互相垂直,我们可以选取有以选取有3个面两两互相个面两两互相垂直的四面体,作为直角垂直的四面体,作为直角三角形的类比对象。三角形的类比对象。如图,如图,RtABC中有勾股定理:中有勾股定理:a2+b2=c2。类似地类似地,在四面体在四面体P-DEF中,中,PDF=PDE=EDF=90
15、0。设设S1,S2,S3和和S分别表示分别表示PDF,PDE,EDF和和PEF的面积。的面积。直角三角形有直角三角形有2条直角边条直角边a,b和和1条斜边条斜边c,类似于四面,类似于四面体体P-DEF有有3个个“直角面直角面”S1,S2,S3和和1个个“斜面斜面”S。于是,类比勾股定理的结构,我们猜想于是,类比勾股定理的结构,我们猜想 S2=S12+S22+S32。17例例2 类比实数的加法和乘法,列出它们相似的运算性质。类比实数的加法和乘法,列出它们相似的运算性质。解解:(:(1)两个实数经过加法运算或乘法运算后,所得)两个实数经过加法运算或乘法运算后,所得的结果仍然是一个实数。的结果仍然是
16、一个实数。(2)从运算律的角度考虑,加法和乘法都满足交换)从运算律的角度考虑,加法和乘法都满足交换律和结合律,即律和结合律,即a+b=b+aab=ba(a+b)+c=a+(b+c)(ab)c=a(bc)(3)从逆运算的角度考虑,二者都有逆运算,加法的)从逆运算的角度考虑,二者都有逆运算,加法的逆运算是减法,乘法的逆运算是除法,这就使得方程逆运算是减法,乘法的逆运算是除法,这就使得方程都有唯一解都有唯一解a+0=a1aa(4)在加法中,任意实数与)在加法中,任意实数与0相加都不改变大小;乘法相加都不改变大小;乘法中的中的1与加法中的与加法中的0类似,即任意实数与类似,即任意实数与1的积都等于原来
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