探析数学概念在几何最值问题中的有效应用

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  【摘要】    本文将立足几何最值问题,探析数学概念在几何最值问题中的有效应用,以期为有识之士提供一些参考,把握几何学的发展脉络,构建几何最值问题的逻辑方法体系。
  【关键词】    数学概念    几何学    最值问题
  引言:在数学学习过程中,要坚持以数学概念作为指引。认识数学概念是把握数学公式、理解数学规律的基础,也是数学钻研的前提。只有充分认识数学概念,才能在无涯学海中乘风破浪,获得研究实绩。因此在学习过程中,应该熟知数学概念、领悟数学概念、应用数学概念。
  一、几何概念的应用
  1.1几何概念的发展
  在数学思维中,最先作为语言符号的是数量与图形。从某个角度来看,几何图形是数学学科最基础的研究对象,数学学科的发展以几何图形研究作为基础,数学思维方法的形成以几何图形研究作为前提条件。随着时代的不断更迭,数学思维由算数层面转向了代数层面,以几何图形为主要内容的空间思维形式得到发展[1]。
  在数学发展之路上,数量与空间存在紧密联系,人类在最先认识社会时,总是将着眼点放在数量和空间上,探索数量与空间的关系。我国古代先贤提出了空间观念,如长度、面积等,使数量和空间真正结合到一起。《九章算术》是我国最具价值的数学古书之一,其中有大量例证,体现了数量思维与空间思维的整合。以勾股定理为例,我国古代数学家赵爽依靠数量与空间这两个概念,论证了勾股定理,并绘制了勾股定理图示,对其进行了注释。对世界数学学科的发展进行分析,发现各国数学体系的构建基本上都是以几何图形作为发端。几何图形是数学思维的起点,几何图形对世界数学作出了不可磨灭的贡献。欧几里得最早对空间观念进行了发展,将几何学作为一门独立学科,使数量和空间相对独立。在古希腊时期,代数学和几何学还没有正式分家,严密的逻辑体系尚未形成。直到公元三世纪,几何学研究越来越多,且研究者数不胜数,使代数学处于从属位置。古希腊学者偏好对直观图形进行观察,对几何学知识进行推导,对图形关系进行探究,并从中归纳几何学概念、推导几何学定理等等。空间思维方法逐渐成为一个时代的先导,助推了科学学科的发展。与国外相比,我国虽然没有形成以推理论证为依托的思维模式,但是几何思维已经初具雏形。《九章算术》“方田”章给出了若干空间概念,如正方形、三角形等,数学家在其中提出了不同图形面积的计算方法,是对世界数学研究的重大突破。除了对图形面积进行计算外,《九章算术》还提出了立体图形的体积计算方法,使数学学科发展真正迈向了新的发展台阶[2]。
  空间思维是解析几何问题的重中之重,在今天的数学学习中,需要始终培养空间思维,以空间思维观察数学问题,勘透数学问题的本质,把握数学问题的规律。古人尚能理解图形的几何直观意义,今人更该努力。从某个角度来看,空间思维方式是数学学科的最重要思维方式之一,而这种思维方式的形成需要依赖长期学习、刻苦钻研。空间思维模式从古希腊时期发展至今,已经具备了严密的逻辑体系。在欧几里得获得成果之后,几何学领域提出的问题越来越多,难度越来越大。如何超越前人的研究成果,使几何学向前发展,成为数学家们关注的重要问题。几何问题论证需要较高的技巧,且逻辑推理非常复杂,单一方法不足以解决问题。在十六世纪数量化思维得到发展,数学符号初步形成体系,方程问题得到了解决。此时数量化思维更盛,空间思维受到冷落。最先认识到数量与空间关系的十六世纪学者是法国韦达,其将代数方法和空间几何方法结合在一起,并提出应用代数方程表示曲线的构想,为数量化思维、空间思维的相融发展奠定了坚实基础。后来的学者笛卡尔站在韦达的肩膀上开展研究,借鉴了其先进的数学思想,依靠坐标系来表现平面上的数字,并将应用代数方程表示曲线的构想转化为现实。费马对这一课题较感兴趣,也开展了数学论证,并最终提出数形结合的思维方法。解析几何和代数结合相融,使几何学朝着代数化的方向发展。代数和几何在此時真正到达了统一水平面,坐标系整合了数量思维与空间思维,更新了数学学科的思维模式,打破了空间结构与形式的限制。
  1.2几何概念的重要性
  在解决几何最值问题时把握几何概念,具有重要意义。第一,把握几何概念,可以在解析几何最值问题时追溯根源。古希腊欧几里得学者提出的数学概念类属于静态几何学的范畴,随着数学研究的不断深入,静态几何学朝着动态几何学的方向发展,图形运动转变为曲线,而曲线变成了点的轨迹。在学习过程中追溯历史,能够形成动态思维,真正勘透几何图形的变化。第二,把握几何概念,可以在解析几何最值问题时融合数学方法。几何概念的发展体现了数量思维与空间思维的整合,人们对图形的主观认识发生变化,经验性的知识不再准确,人们需要开展逻辑推理,使个人思维朝着抽象层面过渡。现实空间有三维特征,但是抽象空间却被无限延长无限放大。在抽象世界学者可以对数学知识进行大胆创新,拓展传统的数学研究领域。第三,把握几何概念,可以在解析几何最值问题时获得研究思路。今人应该将数学研究作为己任,在数学领域上开疆扩土。理解几何概念,能够赋予图形新的内容,对代数结果有更加直观的思维追求。数学研究需要创新性思维,空间思维与代数思维的整合能够助力学术发展,摘取研究果实[3]。
  空间思维与代数思维相融,使数学研究领域有了新的突破,几何代数方法逐渐成为数学问题解析的最常见方法,数量关系经常表达抽象模型概念,代数与几何紧密相连,使人们从不同角度把握了数学知识。几何最值问题实际上也是由几何学基础知识衍生而来的,想要真正解决这一类问题,就必须把握空间思维的发展脉络。空间思维发展证明,欧几里得式的空间并不固定,空间可以是弯曲的,甚至可以是折叠的,空间不仅存在于现实当中,也存在于想象当中。解析几何出现之后,代数几何思想融合,静态几何朝着动态方向发展,变量这一概念引入了数学,微积分相应产生。变量实际上也是最值问题的铺垫,在依靠数学知识解答几何最值问题时,必须把握变量这一概念,具备数形结合的思维方法。空间思维扩展了几何领域,也发展了代数领域。线性空间等概念形成,助力了几何学的飞速发展。曲线与曲面研究相继开展,数学家们在科学探究之路上马不停蹄,最终使近代代数几何学体系构建起来。   二、最值概念的应用
  在解析几何最值问题时,需要把握最值这一概念。在理解最值概念时,需要将函数最值作为基础,因为在求几何最值的过程中,经常需要将其面积表达为函数,通过函数性质确定取值范围,求出最后的结果。最值包括两个:第一个是最大值,第二个是最小值。函数最大值和最小值都存在于定义域中,最大值是定义域中的最大数,最小值是定义域中的最小数。函数最大值和最小值都有图形意义,分别为纵坐标的最高点和最低点。解决几何最值问题,首先要判断函数类型,根据函数概念开展具体的解析工作。以一次函数为例,一次函数又被称为线性函数,在坐标中即是直线,当变量确定,另一个变量也可以表达出来。一次函数分为正比例函数和普通一次函数,在自变量有范围的情况下,最大值和最小值都可以顺利求出。当然,当表达式中的常数有正负之分,需要对最大值最小值进行区分。以二次函数为例,二次函数又被称为二次项函数,其中有一次项系数、常数项等等,自变量的最高次数为二。未知数是一个数,其在范围之内取值。微分方程等是未知函数,存在未知数的概念[4]。二次函数的最值同样与常数有关,与一次函数最值的解析路径存在相似之处。以反比例函数为例,反比例函数存在两个变量,两个变量分别是自变量和因变量,自变量的取值不能等于零。反比例函数的最值在求解过程中仍然和一次函数、二次函数存在相通之处,需要考察常数的取值范围。与二次函数相比,反比例函数的最值并不固定。与一次函数相比,反比例函数的最值求解同样需要确定自变量范围。
  在解析几何最值问题时把握最值概念,具有重要意义。第一,把握最值概念,能够开拓问题解析的思路。在高等数学学习阶段,需要不断拓展学习思路,开拓理论研究领域。最值概念是解析几何最值问题的依据,在充分理解概念后可以对问题进行创新型阐释,从基础方法出发去探索新的解析路径,从而把握数学知识的发展规律,形成概念化的方法体系。第二,把握最值概念,能够优化数学解析思维。几何学经过发展,与代数学的联系更加紧密,最值问题实际上是对几何学知识、代数学知识的融合,对研究者的空间思维、代数思维提出要求。掌握最值概念的过程,实际上就是思维训练的过程,有利于简化数学学习,在几何空间代数研究中有所突破。
  三、几何最值概念的应用
  在把握几何概念、最值概念之后,可以正视几何最值概念。几何最值问题指的是将几何图形转化成为函数形式,依靠代数建构模型,整合空间思维和代数思维,并依靠函数性质进行求解。函数有自变量和因变量,因此有取值范围,范围内的最大值和最小值,就是几何最值。一般来说,几何最值求解方式包括以下几种:第一,可以采用线段最小方法,對图形进行平移、对称旋转等等,使点在线段不同侧。第二,可以采用线段最长方法,对图形进行平移、对称旋转等等,使点在线段相同侧。第三,可以采用转化、构造新图形方法,使目标线段与定长线段形成新图形(一般为三角形)。学术研究不断深入,几何最值概念也在不断发展。在新的时代背景下,应该学习学术研究的最新知识,对几何最值概念进行深化,对几何最值求解方法进行创新。
  结论:综上所述,我国的教育事业不断发展,数学研究工作更进一步。几何最值问题是一个重要问题,数学概念在问题解析中占据重要位置。在理论研究过程中,应该培养空间思维、代数思维,把握几何学、最值和几何最值的概念。
  参  考  文  献
  [1]朱建良.问题驱动  模型识别  揭示本质——基于求解初中几何最值问题的探究与思考[J].中学数学研究,2019(06):7-10.
  [2]夏培培.以问题为“驱动”发展学生数学高阶思维能力——以“几何最值问题”的专题探究为例[J].中学数学,2019(06):44-46.
  [3]叶春泉.析疑难之诸因,探求解之通法——反思求解一类几何最值问题[J].中学数学,2018(24):80-82.
  [4]吉宏军.构造隐形圆,妙求几何最值——以一道几何最值问题为例[J].数学教学通讯,2018(29):71-73.
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