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學數(shù)學需要深入理解和轉(zhuǎn)換思路——讀《燒掉數(shù)學書:重新發(fā)明數(shù)學》

 云蔚志讀書 2022-02-16

一、書籍簡介

(一)成書背景

和很多人一樣,上中學時期的作者不喜歡數(shù)學,只覺得數(shù)學太死板、又無聊,他的成績也僅僅是C。

一次,他在書店中看到了一本講微積分的書,其中平實的語言及轉(zhuǎn)換曲線為直線的微觀處理思路,徹底改變了他對數(shù)學的態(tài)度。進入大學后,作者喜歡上了微積分,上了數(shù)學系,還攻讀了數(shù)學物理學博士學位。

在現(xiàn)實中,仍然有不計其數(shù)的聰明學生對數(shù)學抱著恐懼膽怯的心理,作者希望寫出一本不需要死記定理,簡單直觀的數(shù)學書,以改變目前這種缺乏創(chuàng)造性的教學方式。

當然了,書名雖然號稱要燒掉數(shù)學書,并非真要讀者這么去做,真正要消除的應該是那些僵化的思維罷了。

(二)作者的觀點

對于數(shù)學的學習,作者的具體做法大致有兩條:

1. 理解而非死記

傳統(tǒng)數(shù)學教育往往只讓學生死記定理,而不理解其中的推導過程及具體含義,自然無法靈活運用。作者就建議,加入一些哪怕是錯誤的推理,都以加深學生的理解。

2. 轉(zhuǎn)換思路

一個概念之所以看起來很復雜,是因為沒有找到一條化繁為簡的解釋方式。作者就非常善于從生活常識入手,把一個個高深的數(shù)學概念變得平易近人起來。

如之前提到的微積分,如果換一個角度來理解:如果放大彎曲的東西,它會顯得越來越直。這樣就可以用直線的各種方法來處理了。

以下以二次項展開式為例,具體看看作者是如何做到的。

二、從方形面積的計算到二次項展開

二項展開式是依據(jù)二項式定理對(a+b)的n次方進行展開得到的式子,對應的二項式定理表示為:

,

(一)方形面積

這樣的公式當然不便于理解。為了轉(zhuǎn)化思維,作者創(chuàng)造了一個“撕東西顯然律”:

將一件東西撕成兩片,則原來的面積為撕開后兩片的面積之和。寫成縮寫形式就是:(a+b)·(某個東西)=a·(某個東西)+b·(某個東西)。這就是課本上的“分配律”。

(二)二次項展開

1. 分配律的擴展

如果方形的兩邊分別為(a+b)和(c+d),面積等式可表示為:

  (a+b)(c+d)=ac+ad+bc+bd

這就是分配律的擴展,即多項式相乘的法則。

2. 兩項式的平方和展開公式

再進一步看其他方形面積的組成情況,發(fā)現(xiàn)一個邊長為a+b的正方形由上圖中的四塊圖形組成,面積等式可表示為:

a+b2=a2+2ab+b2

這就是平方和的展開公式。

3. 三項式的平方和展開公式

同理,我們可以由邊長為a+b+c的正方形,整理得到三項式的平方和展開公式如下:

a+b+c2=a2+b2+c2+2ab+2bc+2ac

4.  立方和展開公式 

類似的,從上圖中邊長為a+b的立方體,整理體積等式如下:

a+b3=a3+3a2b+3b2a+b3

這就是兩項式的立方和展開公式。不過,更高次的展開已無法再以這樣的面積等式來表示了。

5. 勾股定理

但不代表這種“撕東西顯然律”就止步于此,在熟悉的勾股定理證明上,同樣可以達到清晰、簡潔的效果。

如前面表述,邊長為(a+b的正方形面積為:

a+b2=a2+2ab+b2。

再減去四個三角形的面積,就是中間小正方形的面積,整理得到:

a2+b2=c2

以上就是作者轉(zhuǎn)換思維,運用面積的簡單計算,推導出了二項式展開式,還簡明地證明了勾股定理。類似的做法,其實在許多學科的研究和學習中,都適用。

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