一道求面积最大值几何题的思维阐述

一道初中几何题,来自今日头条,如图1。

图1


  一看这题,相似联想,联系比较一下,感觉和动点为圆弧轨迹时求面积最大值有些类似。如果三角形ABC为定长,没有BD=6这个约束条件。此时D点轨迹为圆弧,当动点D点在圆弧中点(AD=DC)时面积最大。而此题不是这样,三角形ABC三边只是成比例AB:AC:BC=3:5:7,但三边长度不固定,而BD却是定长。

  做下定性分析可知,不同大小(在一定的取值范围内)的三角形ABC可以有相同长度的BD,对不同大小的三角形ABC,D点都在圆弧上,但不能肯定ADC为等腰时面积最大。例如当D为圆弧中点时,等比例放大ABC1.01倍,D朝A方向偏离,此时D点不在新圆弧的中点,但面积可能增大,因为AC变大了,要作定量分析。

  本人简书和今日头条中的解法都是原创。本题有两种解法,第一种是偏纯几何法,第二种是数形结合,结合代数方法得到面积的函数,不等式法得到最大值。


第一种解法

图2

第二种解法

图3

解题思维阐述与反思总结

    怎么想出这些解法,它的思维过程是怎样的?

  这才是本,是重点,是母,是渔,而上图中的解法是末,是子,是鱼,它是解题思维的产出物。不知母,焉知子?初高中数学知识可以说没啥用,不难自学,而通过数学知识学习、数学解题过程来熏陶训练数学思维能力,领悟通透系统的数学思维之道才是主要目的,我们通过事倍功半的海量数学刷题看书追求数学考高分,竞赛得名次也不是主要目的,否则就是买椟还珠,本末倒置。

  授人以鱼,不如授人以渔,要传授较为通透系统的思维之道。大脑中的思维活动过程虽然无形,如人饮水,冷暖自知,有些言语道断,但部分还是可以化隐为显,可以向第三者言说的。对数学思维之道(数学思维方法论)领悟越深越通透系统,能言说的能挖掘出来的也就越多,看传授者的思维功底与表达能力。

  心有灵犀一点通,我们的数学思维传授点拨,启迪水平还有较大提升空间,缺乏真正悟道数学思维的明师,与此对应,缺乏较为通透系统的数学思维方法论,数学思维方法论研究领域缺乏创新缺乏创新人才,这是我们数学教育数学课堂一直做的很不到位的主要原因,这也就导致数学教育其实几十年一直以灌输数学知识为中心(为主),而不是以数学思维为中心,即便喊着锻炼思维的口号,但打左灯向右转,没做到。最高层次,高手之间拈花一笑,以心传心,心领神会也是存在的。

    回到正题,这题的两种解法是怎么想出来的?这里作下大体的思维活动阐述。

    这两种解法,在开始阶段的思维过程是基本相同的,都是矛盾分析与审美,都是转移角度,但在具体如何转移角度上有所不同,从而产生不同的解法。

  矛盾分析与直觉审美:审题观察,发现不和谐(不和谐属于矛盾的一种类型)与差异,可以分析出、感觉到、识别出图1中原始的几何结构不和谐之处:感觉无法上手,整个几何结构中,三角形ABC、ADC不和谐,包括两个已知角度BAC、ADC的相互位置关系不和谐不美,其关系疏远不密切,缺乏我们熟悉的几何模型或便于求解的结构;三角形ADC的三个边长都是未知的不固定的。这些都导致问题不好处理,不好求面积最大值。

    注意:本文中所讲的几何对象的位置关系,不是数学教材中讲的那些位置关系,例如直线的相交、平行或圆与直线(或圆)相交、相切、相离,这些都只是本文所讲的位置关系的一部分,它比教材中的位置关系更丰富。

  如生物学和化学的核心学科思想:结构决定功能与性质。这也是本人先前提出数学“功能思想方法”的底层逻辑。不和谐的数学结构缺少便于解题的一些功能与性质,它缺少熟悉的或便于求解的数学结构模型,导致我们拥有较多的数学知识却无法上手。

  对立统一,一体两面,矛盾相互转化。产生不和谐的结构,是提高命题难度的惯用法,而对解题要反其道而行,要反方向变化。

  从认识论到方法论,认识论与方法论统一。在辩证法认识论中,运动变化是绝对的,它(运动变化)也是解决问题包括解决数学问题的方法论,它是解决问题转化矛盾的终极大法。哪里有矛盾,也不是哪里不好,哪里不美不和谐就变哪里,对此题就是需要变化几何结构,要对几何结构进行调整改造。

  注意:辩证法的矛盾不是逻辑矛盾,矛盾这个词翻译的也不好,容易让人误解,以为所有(辩证法的)矛盾都是问题,都是在制造对立与麻烦,制造不和谐。应该把矛盾理解是对事物之间关系的刻画,也有相互促进和谐共生的,例如五行的生克制化,相互制约相互转化相互促进。在我们的数学题中也有便于解题的关系,和谐的关系。对和谐的要注意合情顺应,而对不和谐的要进行合情改造同化。

  如通常狭义的几何变换(平移、旋转、对称、位似、…)一样,转移(搬移)一些几何对象的位置或朝向是一种调整改造策略。对几何结构,往便于求解的方向调整,转移调整后,在物理或逻辑上能集中(组合)某些新旧几何对象,使几何对象重新组合(重构重组),从而发生“化学反应”,产生新结构(模型)新关系便于解题。这样结构变和谐了,而结构决定功能与性质,就能用上较多的数学知识,便于上手解题。

  本人先前文章讲过几何问题中的”位置转移”策略,都是自己领悟的。物理上的转移,是转移对象自身,与物理上的转移搬家不同,这里的转移是偏逻辑的,是对象拷贝、替身或创造有关系的新对象,旧的原对象还在原来的地方(位置),或者说旧的快照还在。不限于狭义的几何变换,广义的几何变换也是如此,都是偏逻辑上的,但也不排除物理上的转移。

  需求(目标)--功能思想--实现(手段)的层次结构。对此题,需求就是要调整几何结构,这是战略上大体的目标、思维方向、设想、意图。而如何实现这些粗放的笼统的需求?还要进一步细化需求,还要寻找实现手段,从功能需求到功能实现,要有“功能思想“来作中介帮我们找到靠谱的手段。

  “功能思想”在前面提到过,很多知识都有它对应的功能,而这些功能,初高中数学教材是不会白纸黑字讲出来的,要靠学生自己慢慢领会总结,这对初高中生要求就有些高了。阴先动,阳后随,先有心动,也就是思想意识先行,例如很多人虽然掌握方程函数知识,但不会用它们,因为缺乏方程函数思想意识,没这些心意识也就不容易想到对应的知识。

  这些方程函数等等具体数学知识中蕴含着各种思想,例如方程思想、函数思想,在这些思想之上还要往上提炼升华思想层次,如升华出”功能思想”。要领会数学知识的功能,首先也是要有思想意识,要有“功能思想”的意识,要意识到它(数学知识)具有功能(作用),然后才是具有哪些功能。

  例如为何有时想到要作正三角形?从总体上看,首先肯定是因为有需求有需要有意图,而需求是分析识别出来的或凭感觉直觉产生的,例如通过辩证法的矛盾分析得到需求,矛盾分析法可以涵盖数学中的分析综合法,比它更好。其次是因为正三角形如水管“三通”和物理中多晶体一样,具有三向(多向)同性的性质,具有三向(面)玲珑地沟通几何对象的(结构)关系的作用,具有改变线段方向的作用,例如以EF为边作正三角形EFG,可以理解为将EF变为EG,这就变向了。在某些问题中通过矛盾分析法识别出功能需求之后,一旦正三角的这个功能恰好能贴合我们的功能需求和心理需求,思维心理上自然就容易想到作正三角形。再比如一元二次方程的判别式,它具有构造不等式的功能,而一旦我们在具体问题中有需求:需要求最值,需要构造不等式时,有时它就能排上用场,虽然肯定不是万能,但也是一种可能的途径。

  “体与用”是辩证法的一对矛盾范畴。这里讲下本人理解的功能与性质的区别,就是体与用的区别,性质是体,功能是用(作用)。而我们的数学教材往往只讲数学性质,不讲其对应功能作用(功用),不把这层薄薄的窗户纸捅破讲出来,所以即便掌握数学知识,往往不会用,不会灵活运用,想不起来要用某些知识。

  辩证法的矛盾观告诉我们要抓主要矛盾抓关键抓重点。对这道题,主要矛盾就是两个角(角BAC、ADC)的位置关系不和谐、三角形ADC三边都不固定,不好直接求面积最大值。所以初步设想是这两个角作为转移的主要候选对象,也要把面积转移转化到便于求解的几何结构中或函数中。从开始的”调几何结构“这个粗放笼统的需求,到这里已经细化确定为具体的需求:转移两个角,转移面积的求解。其它是附带的次要的转移。接下来考虑如何实现转移(如何实现需求),得到两种方案,对应两种解法。

  解法1是转移角ADC。作平行线AQ,这就是我们的转移手段。把它传递转移到角QAD,同时通过平行线进行等积变换进行面积转移,然后见微知著识别出隐含的手拉手相似模型,故创造手拉手相似条件AD/AQ=3/5。通过相似形构造把BD转移到QC位置,是成比例放缩的转移。从解法1可以看到,对象(元素)的转移,伴随着关系的传递与转移,反之也是如此。

  而解法2是转移角BAC。作平行线DE,把角BAC转移到角AED,求面积最大值转化转移为求函数xy及其最大值。这样转移之后,角AED与角ADC的关系变和谐了,xy也比较好求。对象之间的关联关系打通变密切了,因为能感觉到新结构产生了熟悉的相似模型,它蕴含较多关系。转移的方向是往BA那侧靠和集中,往BA那一侧A点上方区域转移(搬移)这个几何图形中的几何对象(线段和角度)及其关系。平行线具有转移角度、等积变换、构造比例关系等功能(作用),它是我们在本题中使用的几何转移手段。

  相信感觉直觉,跟着感觉走,跟着直观走,尝试碰壁之后再调整策略,这是合情合理的。对这题,凭感觉凭几何直观,就能产生作平行线的念头。

    除了要有合适的转移对象,转移也要找对转移方向。对这题,感觉往BA那侧A点附近上方区域转移(靠)要好,这是重要的决策与选择。转移的偏向性,往往是往已知的、确定的、关系丰富的位置转移,A点附近是关系较丰富的地方。

  数学思维方法中,“转移策略”的四要素:转移的大体战略目标(需求、设想、意图)、转移的对象&关系(转移哪些对象或关系,要抓重点)、转移的手段(how,用什么转移手段实现目标,要结合功能思想来启发寻找转移手段)、转移的位置与朝向(方向)。

  这个解法还运用了转化与换元的雕虫小技。求面积的最大值,转化为求xy的最大值,把xy看成整体,整体换元。而不是单独求出x、y。设z=yt,是比例换元与参数思想,因为代数式具有齐次特征。这个解法,运用了方程函数思想是显然的。

      道悦(王国波)  2022.11.18于广州

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