對(duì)稱性在數(shù)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

在數(shù)學(xué)教學(xué)中利用數(shù)學(xué)問題的對(duì)稱性不僅有助于找到簡(jiǎn)潔優(yōu)美的解法，也有利于學(xué)生思維水平的提高。更重要的是可以在學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的同時(shí)欣賞數(shù)學(xué)美，正如古代哲學(xué)家普洛克拉斯曾說(shuō)：“哪里有數(shù)學(xué)，哪里就有美?！倍鴮?duì)稱美是數(shù)學(xué)美的基本內(nèi)容和重要體現(xiàn)，因此在數(shù)學(xué)教學(xué)中，教師要有意識(shí)地揭示數(shù)學(xué)中的對(duì)稱美，培養(yǎng)學(xué)生的美感，利用對(duì)稱性提高學(xué)生解決問題的能力。本文以例題為主，主要論述對(duì)稱性在函數(shù)，幾何等方面的應(yīng)用，讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)對(duì)稱性的作用，認(rèn)識(shí)對(duì)稱美。運(yùn)用對(duì)稱性可以鍛煉學(xué)生的思維，拓展學(xué)生的視野，豐富學(xué)生的想象，提高學(xué)習(xí)效果。一、對(duì)稱的概念“對(duì)稱”一詞，譯自希臘語(yǔ)，其含義是“和諧”“美觀”，原義指“在一些物品的布置時(shí)出現(xiàn)的般配與和諧”。我國(guó)老一輩數(shù)學(xué)家段學(xué)復(fù)教授也說(shuō)過：“對(duì)稱，照字面來(lái)講，就是兩個(gè)東西相對(duì)而又相稱(或者說(shuō)相仿、相等)。因此，把這兩個(gè)東西互換一下，好像沒動(dòng)一樣?！痹诂F(xiàn)實(shí)世界中，形式上和內(nèi)容上的對(duì)稱性，廣泛地存在于客觀事物之中，既有軸對(duì)稱、中心對(duì)稱、鏡面對(duì)稱等等的空間對(duì)稱，又有周期、節(jié)奏和旋律的時(shí)間對(duì)稱。對(duì)稱美，作為數(shù)學(xué)美的主要表現(xiàn)形式之一，其數(shù)學(xué)的實(shí)質(zhì)就是自然物的和諧性在量和量的關(guān)系上最直觀的表現(xiàn)，是組元的一個(gè)構(gòu)形在其自同構(gòu)變換群作用下具有的不變性。從狹義上說(shuō)，對(duì)稱是指通常意義下的幾何對(duì)稱和代數(shù)對(duì)稱；從廣義上講，對(duì)稱還包含對(duì)偶、勻稱等方面的內(nèi)容，及各種數(shù)學(xué)概念、公式、定理間的對(duì)稱思想。二、函數(shù)中的對(duì)稱性問題1.函數(shù)自身的對(duì)稱性。（1）利用奇偶函數(shù)的對(duì)稱性解題。眾所周知，奇函數(shù)的圖像關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱，偶函數(shù)的圖像關(guān)于y軸對(duì)稱，只要掌握這些知識(shí)的內(nèi)涵，就能得到處理這些問題的思路把看似復(fù)雜的問題簡(jiǎn)單化。例1設(shè)（fx）是R上的奇函數(shù)，且（fx+3）=-（fx），當(dāng)0≤時(shí)（fx）=x，求（f2008）。解：因?yàn)閥=（fx）是定義在R上的奇函數(shù)，所以點(diǎn)（0，0）是其對(duì)稱中心，又（fx+3）=-（fx）=（f-x）=（f0-x），所以直線是y=（fx）的對(duì)稱軸，故y=（fx）是周期為6的周期函數(shù)，所以（f2008）=（f6×335-2）=f（-2）=-（f3-1）=（f-1）=-（f1）=-1。此題的關(guān)鍵是利用奇函數(shù)的重要性質(zhì)（f-x）=-（fx）以及關(guān)于原點(diǎn)（0，0）對(duì)稱，及函數(shù)（fx）的對(duì)稱軸（2）利用點(diǎn)的對(duì)稱性解題。例2（fx）是定義在R上的增函數(shù)，記F（x）=（fx）-（fk-x），求證：y=F（x）的圖像關(guān)于點(diǎn)（a，0）對(duì)稱的充要條件是k=2a。證明充分性，只須證F（2a-x）=-F（x），因?yàn)閗=2a，所以F（2a-x）=（f2a-x）-（fx）=-[f（x）-f（2a-x）]=-F（x），所以y=F（x）關(guān)于點(diǎn)（a，0）對(duì)稱。必要性，因?yàn)閥=F（x）關(guān)于點(diǎn)（a，0）對(duì)稱，所以F（2a-x）=-F（x），即f（2a-x）-f（k-2a+x）=（fk-x）-f（x），下面對(duì)k進(jìn)行討論。①當(dāng)k＞2a時(shí)f（2a-x）-f（k-2a+x）＜（fk-x）-（fx）。②當(dāng)k＜2a時(shí)（f2a-x）-（fk-2a+x）＞（fk-x）-（fx）。③當(dāng)k=2a時(shí)等式成立。（3）不同函數(shù)及圖像之間的對(duì)稱性。例3設(shè)定義域?yàn)镽的函數(shù)y=（fx）與y=g（x）都有反函數(shù)并且f（x-1）和g-（1x-2）函數(shù)的圖像關(guān)于直線y=x對(duì)稱，若g（5）=2007，求（f4）。解：因?yàn)楹瘮?shù)y=（fx-1）和y=g-（1x-2）的圖像關(guān)于直線y=x對(duì)稱，所以y=g-1（x-2）的反函數(shù)是y=f（x-1），而y=g-1（x-2）的反函數(shù)是y=2+g（x），所以（fx-1）=2+g（x），所以（f5-1）=2+g（5）=2009，即（f4）=2009。三、輪換對(duì)稱式的應(yīng)用所謂輪換對(duì)稱式即為：對(duì)于一個(gè)n元多項(xiàng)式p（x1，x2…，xn）把它的n個(gè)變?cè)槾芜M(jìn)行調(diào)換。如果這樣得到的結(jié)果仍與原式相同，即p（x1，x2…，xn）=p（x2，x3…xn，x1）那么這個(gè)多項(xiàng)式叫做關(guān)于這些變?cè)妮啌Q對(duì)稱式，簡(jiǎn)稱輪換對(duì)稱式，利用輪換對(duì)稱式可使解題簡(jiǎn)潔優(yōu)美。舉例如下：例4已知α，β，γ，θ均為銳角，且α+β+γ+θ=π，求函數(shù)y=sinαsinβsinγsinθ的最大值。解：y=sinαsinβsinγsinθ當(dāng)且僅當(dāng)sinα=sinβ=sinγ=sinθ，不論在自然界里還是建筑中，不論在藝術(shù)還是科學(xué)中，甚至最普通的生活用品中，中學(xué)數(shù)學(xué)中對(duì)稱的形式隨處可見。人類在漫長(zhǎng)的歲月里，體驗(yàn)著對(duì)稱，享受著對(duì)稱。所以對(duì)稱思想方法應(yīng)該在《初中課標(biāo)》和《高中課標(biāo)》中給予提出，因?yàn)檫@一思想是貫穿小學(xué)數(shù)學(xué)、中學(xué)數(shù)學(xué)直到整個(gè)數(shù)學(xué)學(xué)科的一個(gè)永恒的概念。其實(shí)不僅在數(shù)學(xué)中，在宇宙萬(wàn)物中對(duì)稱都是一個(gè)至簡(jiǎn)至深的概念，它是美的基本元素之一。但我相信數(shù)學(xué)是最能理解對(duì)稱本質(zhì)的一門學(xué)科。因此，在日常的數(shù)學(xué)教學(xué)中，要循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生欣賞數(shù)學(xué)中的對(duì)稱美，掌握數(shù)學(xué)中的對(duì)稱思想，從而創(chuàng)