数学中的类比思想

小议数学中的类比思想王安平关键字：类比的思想数形之间、数数之间的类比所谓类比，是指两种事物之间存在着相互类似的性质或特点。这个词来源于希腊文“analogia”原意为比例，后来引申为某种类似的事物。类比的思想方法在科学发展中占有着十分重要的地位。例如，著名科学家牛顿的万有引力定律就是把天体运动与自由落体运动做类比而发现的；著名的生物学家达尔文把植物的自花受精与人类的近亲结婚相类比，从而发现了自己子女体弱多病的原因。类比的思想涉及了对知识的迁移。所谓迁移就是一种学习对另一种学习的影响。在教学中我们应当注意对学生迁移意识的培养，也就是说要注重运用类比的思想。在我们平时的数学教学中，经常发现在数学中有一些相类似的概念，可以利用类比法进行学习；另外，在教学中也可以利用类比的思想进行教学。的确，类比法是学习数学的一种常用方法。数学的类比主要体现在以下几个方面：㈠几何图形之间的类比（1）几何形体数量关系的类比平面图形立体图形三角形面积公式：ahS21三棱锥体积公式：ShV31梯形的面积公式：hbaS)(21棱台的体积公式：hSSSSV)(312211在以往的高考题目中，也出现了类似题目。例如：在某年上海的高考模拟题中的一道题：已知：在平面几何有勾股定理：“假设ABC的两边AB、AC互相垂直，则有关系：222BCACAB。”当我们拓展到空间，类比平面几何的勾股定理并研究三棱锥的侧面面积与底面面积的关系时，我们可得到相应结论：假设三棱锥BCDA的三个侧面ABC、ACD、ADB两两垂直，则2222BCDADBACDABCSSSS（2）几何性质之间的类比例如，几何体中的椭圆与双曲线就有很多的相似之处：焦点类型在x轴或在y轴上焦点坐标（1）在x轴上)0,(c（2）在y轴上),0(c离心率ace准线（1）在x轴上cax2（2）在y轴上cay2在平面几何与立体几何中也存在性质之间的类比，例如：三角形存在唯一的外接圆和内切圆三棱锥存在唯一的外接球和内切球三角形的三条中线交于一点，且该点分每条中线的比为1:2三棱锥的四条中线相交于一点，且该点分每条中线的比为1:3三角形的三条角平分线交于一点，这个点是三角形内切圆的圆心。三棱锥的六个二面角的平分面相交于一点，这个点是三棱锥内切球的球心。同样是在某年上海的高考模拟题中的一道题：已知：在三角形中存在余弦定理：Abccbacos2222，那么，在三棱柱111CBAABC中存在关系（假设表示平面11BBCC与平面11AACC所成的二面角）：cos21111111111222AACCBBCCAACCBBCCAABBSSSSS㈡数与形之间的类比众所周知，初等数学可分为代数与几何。在数学发展的初期，代数与几何是相互独立的两个学科,但随着解析几何的产生，代数与几何实现了统一。数形结合的思想也是我们在平时教学过程中需重点培养学生所具备的一种数学思想。下面我们看几道例题：例1：求函数xxysin2cos3的最值分析：这道题如果我们按照代数运算的常规解法，只能作出如下解答：2222222minmax3cos2sin3cossincos322sin32321sin()32sin()||111|32|1(32)131280623623623623,3333xyyyxxyxxyxyyyxyxyyyyyyyyyyy但是本题，我们若利用数形结合的思想，则会使解答过程大幅度简化。当我们考虑到题目所给形式与直线的斜率公式)(211212xxxxyyk有些类似时，我们可以认为原题为：过动点)cos,sin(xx与定点)3,2(的连线的斜率的最值，很明显，点)cos,sin(xx是单位圆上的点。假设过点)3,2(的直线方程为)2(3xky，则求原题的最值就转化为求上面这条直线与单位圆相切时k的值。由原点到直线的距离为1，所以通过点到直线的距离可得，6233k。所以，原题minmax623623,33yy。例2求函数22()4131026fxxxxx的最小值。分析：对于这道求函数最值的问题，我们可以利用判别式的方法或其它一些代数方法进行求解，但是它们的计算量都较大。当我们观察到题目中只含有二次根式，并且在二次根式中含有二次式，同学们可以联想一下，在高中阶段我们所学的公式中，两点间的距离公式是满足这种形式的。所以，可以将原函数配凑成两点间距离公式的形式2222)10()5()30()2()(xxxf。可见，这里面包含着三个点(x,0),(2,3)和(5,-1)。依次设三点为A,B,C，其实本题就是在求ABAC的最小值。在坐标系内画出这三点，其中A点在x轴上移动，当这三点共线时ABACBC；当A点不在BC上时，这三点构成三角形，由三角形的知识我们知道ABACBC。不难看出，只有当三点共线时ABAC有最小值BC。所以，minmin()()5fxABACBC通过简单计算可知，这时174x。在各个省市的高考模拟题中经常出现类似于这样的题目：例3：方程：3log3xx的解所在的区间是（）A(0,1)B(1,2)C(2,3)D(3,4)从表面上看，这是一道解方程的题，然而这种题如果利用解方程的常规方法，也只有利用逐步逼近的最小二乘法才能解决，但是这种数学方法的运用要求同学们有高等数学的知识，这只有到了大学才能学到，那么这道题对于高中阶段的同学们就无从下手了吗？我们先来回顾一下有关方程的一些表示的几何意义。例如：方程0782xx表示的就是一个二次函数782xxy与x轴的交点，也可以说成一个二次函数xxy82与一个常量函数70y的交点，所以由此可知原题3log3xx的解实际上就是一个在求对数函数xy3log和一个一次函数xy3的交点横坐标。可见，我们只要在同一个坐标系内画出xy3log和xy3的图像，然后观察交点的横坐标所在区间就可以了。通过画图像可明显得到交点的横坐标所在的区间为（2,3），选C。应该讲数与形的类比中蕴含着数形结合的数学思想，这是高职、高考中的一个重点，应该引起足够的重视。㈢数与数之间的类比在代数中有一些概念是存在类比关系的，例如均值不等式中二元均值不等式三元均值不等式abba222abccba3333abba233abccba2)2(baab3)3(cbaabc当且仅当ba时取“=”当且仅当a=b=c时取“=”并且我们在解一些代数题目时，如果有着较强的类比能力的话往往题目就会得到很大简化。例1：在三角函数中有着这样的一道习题化简下面的式子：yzxxzxyzzyyxzxyxyzyzxxzzyyxzyxy2sin)sin()sin(2sin)sin()sin()sin(2sin)sin()sin()sin()sin()sin()sin()sin(2sin2sin2sin分析：此题让人眼花缭乱，深感无从下手，如果利用两角和的正弦公式以及二倍角的正弦公式去进行化简则工作量是十分巨大。但我们观察到，题目是一个六项的代数和，前三项是正的，后三项是负的，且每一项都是三个正弦的乘积形式，我们可以与三阶行列式的展开式相类比，可以进行如下的解法：000coscoscoscoscoscoscoscoscossinsinsinsinsinsinsinsinsinsinsinsincoscoscoscossinsincossincossincoscossinsincossincossincoscossincossincossincossincossincossincossincossincossincossincossincossinsincoscossinsincoscossinsincoscossincossincossinsincoscossinsincoscossinsincoscossincossincossin2sin)sin()sin()sin(2sin)sin()sin()sin(2sinzzzyyyxxxzyxzzzyyyxxxzyxzzyzxzzyyyxyzxyxxxzzyzxzzyyyxyzxyxxxzzzzyzyzxzxzzyzyyyyyxyxyzxzxyxyxxxxxzyzxzzyyxyzxyxxy例2：（1）解方程：03423133xxx（2）求证：N2003)20031()20031(20022002分析：同学们一看肯定就会问，为什么例2包括了两道题目，而且，这两道题目表面上似乎没有什么联系，可谓是风马牛不相及，但是，同学们还是先看一看这两道题目的解题过程吧。解（1）：观察到题目中34231xxx023123133xxxx令01313133tttttx设一个函数tttf3)(，则1313)13(3tttf所以，0)13()(tftf又由于这个函数是一个奇函数，)()(tftf所以，)()()13(tftftf由于，函数tttf3)(是在整个定义域区间内单调的函数，所以434113xttt所以原方程的解为43x解（2）：设一个函数20022002)1()1()(xxxf，通过判断可以知道，这个函数是一个奇函数。所以函数的展开式中一定只含有x的奇数次项，那么在函数xxxxg20022002)1)1()(（的展开式中一定只含有x的偶数次项，所以将2003)20031()20031(20022002展开后，在2003上一定就只有偶数次，也就是说，在展开式中将不再含有有关2003的因式，而是一些整数的乘加运算，综上所述，我们可以推断出结论：N2003)20031()20031(20022002总结：以上就是这两道题目的解题过程，通过观察我们不难发现，这两道表面上似乎没有什么联系的题目，在解题过程中，存在着很多共同之处。首先，两道题目都设了一个函数，其次，对所设的函数的奇偶性题目都进行了讨论，并且通过函数的奇偶性，我们解决了题目。如果我们在解（1）时，同学们还沿用常规方法（等式两边开立方），那么题目的运算量可想而知；如果，我们在解（2）时，采用二项式定理将原式展开，那么它的运算量也是不小的。可见，在解题过程中，合理的运用我们所学的知识进行类比，有时往往能使我们一筹莫展或运算量很大的题目柳暗花明，这就叫巧解。当然我们在进行类比时也有可能出现诸如此类的错误：例如：由于acabcba)(这个乘法的分配律，则错误正确yyxaaaloglog)(logyxyxaaaloglog)(logyxyxaaaloglog)(logyxyxaaalogloglogsinsin)sin(sincoscossin)sin(coscos)cos(sinsincoscos)cos(我们对于这些从外形上看相似的概念，如果也利用类比的思想去处理有关的问题，那么我们就会得到错误的结论，这也可以称为类比的思想在数学中的局限性，我们不能一味根据外形的相似，而忽略对数运算、正（余）弦运算与乘法运算的根本差异。综上所述，类比的思想在我们处理一些数学问题时的确起着十分重要的作用，我们也应该学习类比的思想，但是在利用类比的思想去处理一些问题时，我们也要注意所类比的两个事物在本质上是否是相同或相似的，不能只顾形式上的一致而忽略本质不同的问题。