《三体》中顶级天才们才有的图形化数学思维,孩子也能用来解应用题

前两周曾经写过应用题的重要性,以及如何用各种不同的思路,来解答经典的应用题“鸡兔同笼”(点击阅读:《狂飙》中欺负学霸的鸡兔同笼,为什么是重要的数学应用题型

今天我们则会聊一下上次没有完全展开的话题,如何用图形化的思维,来解应用题。

把抽象的数学概念图像化,也就是我们之前曾经多次提到的数形结合的思维方式。也就是不要仅仅抽象的去看待数学,而是要尽量把它图像化

关于这点,大刘在《三体》中也提到过好几次,而且都是描述全书中最天才的几个头脑。比如叶文洁之所以发现了女儿杨冬的天赋,就是听到她觉得“这个公式真好看,真漂亮”,而不是“真巧妙”。

而魏成作为书中的顶级数学天才,对他他天才的描述,就在于“任何数字组合都是一种立体形体”,而对于几何图形,“一切都是数字了”。这应该是老刘笔下“数形结合”的极致体现了。

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而在我们从小的数学应试教育中,更多的是关注计算速度,如何更高效的答题。我们固然可以量产出对数字、四则运算更敏感,甚至在奥数比赛中分数更高的孩子,但同时,这种教育也把数学营造成一个只有数字、字母和公式的抽象学科。不仅容易磨灭孩子对于数学的兴趣,也会让孩子的数学之旅走入死胡同,影响未来在数学以及其他理科上深造的可能。

而且即便不考虑把孩子培养成数学家或者科学家,图像化的数学思维,也能帮助孩子更好的理解数学题目,比如我们提到的应用题中另外一个很常见的类型“追及相遇”。

“追及相遇”题目是小学数学中很常见的一类,一直到高中物理,甚至高考中同样还会用到。这里涉及到两种相似的题目,也就是同地不同时的追及,和同时不同地的相遇。“追及”的基础题型,是说从一个地方后同向出发的两个人(或车辆、船等等),后出发的人速度更快,问什么时候能追到。“相遇”则是指两个人分别从两个地方相向而行,问什么时候可以相遇。

一般来说,解决追及相遇问题,就是套用速度距离公式,距离=速度×时间,然后计算,或者设未知数解方程。

那用数形结合的图像化方式,如何解呢?

当我们看到A=B×C这样的计算公式时,其实很容易联想到一种图形,那就是长方形。因为长方形的面积就等于底乘高。所以所有的物体运动距离,就是在一个速度-时间的平面上,某个图形的面积。

比如做匀速运动的物体,它的状态其实就是下面这样的长方形,它运动的过程,就是将下面这个黄色的长方形变得越来越长的过程,而距离,就是黄色长方形的面积。

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掌握了这种图形结合的思维模式,我们再来看追及相遇问题,就变得如杨冬一样,觉得这个应用题很“好看”了

比如,在相遇问题中,已知甲乙两个人之前的距离,以及他们各自的速度,问他们什么时候能相遇。而抽象的时间速度,变成了甲乙两个长方形的图像。问题就转化成了,知道两个长方形的总面积(初始距离),以及各自的高度(速度),求他们共同的底边长度(相遇时间)。

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而追及问题,同样可以变成图形。甲乙因为是同向而行,所以变成了叠在一起的两个长方形,其中一个长方形(速度快)比另外一个更高。两个长方形的面积差,就是快的人多走的距离。如果这个差的面积(虚线部分)正好达到开始时两者的距离,也就是甲追上了乙。所以追及问题,就变成了:已知下图黄色虚线部分的面积(初始距离),以及左边两个高度(甲乙各自的速度),求底边长度(追及时间)

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可能会有人认为,这样还不如直接套公式、列方程简单。对于小学题目来说,或许的确如此。但图形结合的图像化思维,更重要的是为孩子未来的数学打基础。

比如,如果运动不再是匀速运动,而是匀加速运动呢?题目变成:甲乙从同一个位置同向出发,甲做匀速运动,乙从静止开始做匀加速运动,问乙什么时候追到甲?或者甲乙之间有一段距离。甲乙都是匀加速运动,乙的加速度更大,那什么时候追到...

这些题目对于一些孩子来说,就有些辛苦了。光一个匀加速度的距离公式S=1/2at^2,就会让不少人记得头疼。

但如果孩子一直熟悉图形化的思维模式,就简单多了。匀加速运动的图形不再是长方形,而是一个三角形(不断升高的速度)。所以匀加速的距离公式,其实就是三角形的面积公式,1/2底×高=1/2·t·at。

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大家可以试着在网上搜一些追及相遇问题,无论是小学还是高中,看看怎么可以用数形结合的方式来解题。

比如我在网上搜到的这个问题:

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这道题关键时刻就是随着A减速,B加速,直到两车速度相等的瞬间。如果此时A多行驶(追上)的距离,没超过原先两者的距离x,就不会相撞了。用图像的方式来表示,就是下图这样的虚线三角形。借助这个三角形就能很容易答题了。

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感觉一不小心又犯了啰嗦太多的毛病,其实就是想说,不要把应用题当做简简单单的刷题,也不要将数学的基础教育变成简单的刷分。即便是小学生的应用题,也可以蕴含着很有意义的数学思维的基础训练。学好、用好这些思维方式,将会对孩子未来的理科学习,都有着重要的帮助。

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