《数学与创新思维》PPT课件.ppt

数学与创新思维 北京航空航天大学李心灿 引言全国科技大会上指出 创新是一个民族进步的灵魂 是国家兴旺发达的不竭动力 一个没有创新能力的民族难于屹立于世界民族之林 建立创新型国家 教育部的一个报告指出 实施素质教育重点是改变教育观念 尤其是要以培养学生的创新意识和创造精神为主 恩格斯指出 一个民族要想站在科学的最高峰 就一刻也不能没有理论思维 创造性人才的创造活动是在相应的创造性思维的支配下 所进行的一种积极的能动的活动 创造性思维是一切创造活动的核心和灵魂 R 培根指出 数学是打开科学大门的钥匙 H G 格拉斯曼说 数学除了锻炼敏锐的理解力 发现真理外 它还有另一个训练全面考查科学系统的头脑的开发功能 N A 考特认为 数学是人类智慧王冠上最灿烂的明珠 K L 米斯拉指出 数学是代表人类抽象思维方面的最高成就和胜利 著名的数学家A 赛尔伯格指出 数学的内容一定要重新斟酌 应该增加一些涉及如何发现并令人振奋的内容 著名数学家J P塞尔指出 关于学生 关键是要让他们明白数学是活生生的 而不是僵死的 讲数学的传统方法有个缺陷 即教师从不提及这类问题 这很可惜 在数论中有许多这类问题 十几岁的孩子就能很好地理解它们 当然包括费马大定理 还有哥德巴赫猜想 以及无限个形如n2 1的素数的存在性 你可以随意讲一些定理而不加证明 塞尔 因此我认为 数学教学不但应该传授数学知识 还应该培养学生的创新思维 讲五个问题一 归纳思维二 类比思维三 发散思维四 逆 反 向思维五 数学 猜想我将结合初等数学 高等数学和数学史上一些著名问题来讲 一 归纳思维 归纳是人类赖以发现真理的基本的 重要的思维方法 著名数学家拉普拉斯指出 分析和自然哲学中许多重大的发现 都归功于归纳方法 牛顿二项式定理和万有引力原理 就是归纳方法的成果 在数学里 发现真理的主要工具和手段是归纳和类比 著名数学家高斯曾说 我的许多发现都是靠归纳取得的 著名数学家沃利斯说 我把 不完全的 归纳和类比当作一种很好的考察方法 因为这种方法的确使我很容易发现一般规律 归纳是在通过多种手段 观察 实验 分析 对许多个别事物的经验认识的基础上 发现其规律 总结出原理或定理 归纳是从观察到一类事物的部分对象具有某一属性 而归纳出该事物都具有这一属性的推理方法 或者说 归纳思维就是要从众多的事物和现象中找出共性和本质的东西的抽象化思维 也可以说 归纳是在相似中发现规律 由个别中发现一般 从数学的发展可以看出 许多新的数学概念 定理 法则 的形式 都经历过积累经验的过程 从大量观察 计算 然后归纳出其共性和本质的东西 例如 哥德巴赫猜想 费马猜想 素数定理等 归纳的方法 哥德巴赫猜想 3 7 10 3 17 20 13 17 303 7 13 17都是奇素数 10 20 30都是偶数 是否两个奇素数之和都是偶数呢 这是显然的 但是 逆向思维 任何一个偶数 都能分解为两个奇素数之和吗 6 3 38 3 510 3 712 5 714 3 11 7 716 3 13 5 11 这样下去总是对的吗 即任何一个大于4的偶数都是两个奇素数之和 大于4的偶数 奇素数 奇素数 哥德巴赫猜想 60 3 57 57 19 3 不是素数 60 5 55 55 11 5 不是素数 60 7 53 7和53都是素数 一直到现在还没有一个人推翻它 但也还没有一个人证明它 哥德巴赫提出这个问题时 欧拉在1742年6月30日的回信中说 他相信这个猜想 但他不能证明 于是引起了很多人研究它 但在120年间 一直没有多大进展 直到20世纪20年代 才开始有了眉目 挪威数学家布朗 V Brun 用 筛法 证明了 任何一个大于4的偶数 A a1 a2 a9 b1 b2 b9 9 9 其中ai bi i 1 2 3 9 都是素数 才为这个猜想的证明开辟了道路 1924年拉德马哈尔证明了 7 7 1932年爱斯尔曼证明了 6 6 1938年布赫斯塔勃证明了 5 5 1940年又证明了 4 4 1956年维诺格拉多夫证明了 3 3 1956年王元证明了 3 4 1957年王元证明了 2 3 1962年潘承洞证明了 1 5 同年王 潘又证明了 1 4 1965年布赫斯塔勃 维诺格拉多夫 庞比利证明了 1 3 1966年陈景润证明了 1 2 发表在 中国科学 1973 P 111 128 1 吴文俊说 哥德巴赫猜想是一场攻坚战和接力赛 2 解放后 华罗庚 闵嗣鹤在这一研究上奠定了基础 3 王元1956年证得 大偶数 3 4 1957年又得出 大偶数 2 3 4 潘承洞1962年证得 大偶数 1 4 5 陈景润1966年证得 大偶数 1 2 1972年潘 王 丁夏畦简化了陈的证明 苏步青说 要想取得1 1就得把世界上八十多种方法融会贯通 博取众长 1998年利用超级计算机 验证这个猜想对于每一个小于4 1014的偶数都是正确的 但没有一项计算技术可以对直至无穷的每一个偶数确认这个猜想成立 关键是要找出一个抽象严格的证明 这是数学向人类智慧的挑战 这个猜想吸了不少人 2000年3月中旬 英国一家出版社悬赏100万美元征 哥德巴赫猜想 之解 时限两年 截止日期定在2002年3月20日 奖金比中国最高科学奖还高 Nobel奖 二项式系数 u v 1 u v u v 2 u2 2uv v2 u v 3 u3 3u2v 3uv2 v3 u v 4 u4 4u3v 6u2v2 4uv3 v4 u v 5 u v n 帕斯卡三角形 帕斯卡三角形 111121133114641151010511615201561 宋朝数学家杨辉1261年写的 详解九章算法 就解释了上述系数三角形的构造法 并说贾宪用此术 杨辉三角形 科尔莫哥洛夫在 我是如何成为数学家 中说 我在6 7岁时我已经感受到数学归纳发现的乐趣 例如 我注意到下边的等式 他的这个发现 后来被刊登在 春燕 杂志上 问题 考察表 按照上述算例找出它们的一般规律 并用适当数学式子表示出来 而且试证明它 问题 下述结论是否成立 在高等数学中 许多重要结果的得出 都用到了归纳思维 例如 求某一函数的n阶导数 通常的方法是求出其一阶 二阶 有时还要求出其三阶 四阶 导数 再归纳出n阶导数的表达式 解 从而归纳出 二 类比思维 著名日本物理学家 诺贝尔奖获得者汤川秀澍指出 类比是一种创造性思维的形式 著名哲学家康德指出 每当理智缺乏可靠论证的思路时 类比这个方法往往能指引我们前进 类比是根据两个 或多个 对象内部属性 关系的某些方面相似 而推出它们在其它方面也可能相似的推理 简单地说 类比就是由此去发现彼 或由彼去发现此 类比为人们思维过程提供了更广阔的 自由创造 的天地 使它成为科学研究中非常有创造性的思维形式 从而受到了很多著名科学家的重视与青睐 例如 著名天文学 数学家开普勒说 我珍视类比胜于任何别的东西 它是我最可信赖的老师它能揭示自然的奥秘 著名数学家 教育学家波利亚说 类比是一个伟大的引路人 求解立体几何问题往往有赖于平面几何中的类比问题 在平面解析几何中直线的截距式是 在平面解析几何中 两点的距离是 在空间解析几何中 两点的距离是 在空间解析几何中平面的截距式是 在平面解析几何中圆的方程是 x a 2 y b 2 R2在空间解析几何中球面的方程是 x a 2 y b 2 z c 2 R2等等 将他们比较可以看出 把 中右端K次幂换成K阶导数 零阶导数理解为函数本身 把 中u v换成uv n次幂换成n阶导数既为 拉格朗日17岁 费马猜想 X2 Y2 Z2的解 X 3 Y 4 Z 5Z m2 n2 X m2 n2Y 2mn m n是任一整数 n2是否有正整数解 Zn n Yn n 2 Wiles1994 欧拉猜想 下述方程没有整数解 没有人能够证明它是对的 但是在他提出这个猜想之后的200年内大家都相信它是正确的 但是在1998年 诺姆 艾利克斯的举出一个反例 后来人们又发现了一个更简单的例子 今天我们能容易地用一个简单的程序寻找反例 在没有计算机的年代 很难举出这样的反例 多元函数与单元函数在学习多元函数的微分学和积分学时 应注意与已经学习过的一元函数的微积分相应的概念 理论 方法进行类比 例如 特别应该将牛顿 莱布尼茨公式 格林公式 高斯公式 斯托克斯公式进行类比 若将牛顿 莱布尼茨公式 视为 它建立了一元函数f x 在一个区间的定积分与其原函数F x 在区间边界的值之间的联系 通过类比 就可将格林公式 视为 它建立了二元函数在一个平面区域D上的二重积分与其 原函数 在区域边界L的曲线积分之间的联系 通过类比 就可将高斯公式 视为 它建立了三元函数在一个空间区域 上的三重积分与其 原函数 在区域边界曲面S上的曲面积分之间的联系 通过类比 就可将斯托克斯公式 视为 它建立了三元函数在一个空间曲面S上的曲面积分与其 原函数 在区域边界曲线L上的曲线积分之间的联系 若引入 外微分运算 就可将格林公式 高斯公式和斯托克斯公式都看作牛顿 莱布尼茨公式的高维推广 并都可以用一个简单的形式统一表示为 实践证明 在学习过程中 将新内容与自己已经熟悉的知识 进行类比 不但易于接受 理解 掌握新知识 更重要的是 培养 锻炼了自己的类比思维 有利于开发自己的创造力 费马猜想 三 发散思维 所谓具有发散特性的思维是指信息处理的途径灵活多变 求结果的丰富多样 它是一种开放性的立体思维 即围绕某一问题 沿着不同方向去思考探索 重组眼前的信息和记忆中的信息 产生新的信息并获得解决问题的多种方案 因此 也把发散思维称为求异思维 它是一种重要的创造性思维 用 一题多解 一题多变 等方式 发散式地思考问题 数学中 一题多解 最著名的例子 是几何学中关于 勾股定理 的证法 勾股定理 被誉为 千古第一定理 一个直角三角形的斜边c的平方等于另外两边 a b 的平方和 即a2 b2 c2这个定理人们用不同的方法 给出了370多个证明 这个定理的重要性在于 1 它是联系 数 与 形 的第一个重要定理 2 它导致了不可公约量的发现 第一次数学危机 3 它开始把数学由计算与测量的技术扩大到证明与推理的科学 4 它是最早得出完整解的不定方程 并引导到各式各样的不定方程 包括费马大定理 1 在欧几里得的中 给出了一种欧几里得的证明 A H K C B D E F G I L 因此同理 两式相加即得定理 2 我国赵爽 约222年 在的注释中给出的证明 ab等于两直角三角形的面积 b a 2为中心正方形的面积 显然 有2ab b a 2 c2 化简 即可得证 A B C b c a a b 弦图 3 大正方形的面积 a b 2 a2 2ab b2又等于 4ab 2 c2 2ab c2从而得证 a b a b a a b c c 美国A 菲尔德总统 SABED SBCE SABC SDCE 4 最令人感兴趣的证法之一 他证明时 只是一位议员 是他和其他议员讨论数学问题时想出来的 发表在 新英格兰教育杂志 上 5 2000年12月1日山东青岛市即墨一中高二六班李亮同学的证明 思考 他的证明对否 好不好 A C B D a b c BD AD AB c 数学王子 高斯 高斯被誉为 能从九霄云外的高度按某种观点掌握星空和深奥数学的天才 和 数学王子 特别是高斯非常重视培养自己的发散思维 并且善于运用发散思维 他非常重视 一题多解 一题多变 例如 他对 代数基本定理 先后给出了4种不同的证明 他对数论中的 二次互反律 先后给出了8种不同的证明 高斯称 二次互反律 是数论中的一块宝石 数论的酵母 是黄金定理 欧拉勒让德 第一个证明是用归纳法 第二个证明是用二次型理论 第三个和第五个证明是用高斯引理 第四个证明是用高斯和 第六个和第七个证明是用分圆理论 第八个证明是用高次幂剩余理论 他的每一种证明思路都导致数论的新方向 其后19世纪多位数论大家如狄里克雷 雅可比 艾森斯坦 库默 戴德金 希尔伯特等人都给出了新的证明并发展了该理论 有人曾问高斯 你为什么能对数学作出那样多的发现 高斯答道 假如别人和我一样深刻和持久地思考数学真理 他也会作出同样的发现 高斯还说 绝对不能以为获得一个证明以后 研究便告结束 或把另外的证明当作多余的奢侈品 有时候一开始你没有得到最简和最美妙的证明 但恰恰在寻求这样的证明中才能深入到真理的奇妙联想中去 这正是吸引我去继续研究的主动力 并且最能使我们有所发现 高斯这些言行 很值得我们学习和深思 因此 我们在高等数学教学中 应利用一题多解 一题多变来培养训练发散思维 下边我们举几个例子 一题多解 计算 一题多变 得知它是全微分方程 从而用全微分方程的解法求出其通解 求微分方程 通解 变形为 由于 一题多变 求微分方程 通解 变形为 得知它是齐次微分方程 从而用齐次微分方程的解法求出其通解 一题多变 求微分方程 通解 变形为 发现它是伯努利方程 从而令z y2 化为线性微分方程 然后用线性微分方程的解法求出其通解 高等数学一题多解200例选编 产品 手表 收音机 电视机等 四 逆向思维 一位老太太有两个女儿 大女儿嫁给雨伞店老板 小女儿当了洗衣作坊的女主管 于是 老太太整天忧心忡忡 逢上雨天 她担心洗衣作坊的衣服晾不干 逢上晴天 她怕伞店的雨伞卖不出去 日子过得很忧郁 后来有一位聪明的人劝她 老太太 你真好福气 下雨天 你大女儿家生意兴隆 大晴天 你小女儿家顾客盈门 哪一天你都有好消息啊 这么一说 老太太生活的色彩竟焕然一新 一则小故事 逆向思维 又称反向思维 是相对于习惯性思维的另一种思维形式 它的基本特点是从已有的思路的反方向去思考问题 它对解放思想 开阔思路 解决某些难题 开创新的方向 往往能起到积极的作用 1 如果遇到某些问题顺推不行 可以考虑逆推 2 如果遇到某些问题直接解决困难 想法间接解决 3 正命题研究过后 研究逆命题 4 探讨可能性发生困难时 转而探讨不可能性 下面举几个高等数学中的例子 求解微分方程 若将x视为自变量 y视为未知函数 解此方程就比较困难 因为它既不是可分离变量方程 也不是齐次方程 也不是全微分方程 也不是线性方程和伯努里方程 但是 如果利用逆向思维 即反过来将x视为未知函数 y视为自变量 将方程变为 它就是未知函数x的线性微分方程 很容易求出其通解 若直接解决困难 想法间接解决 例1 试求 解法 用间接的方法 即转化为判断级数 级数收敛的必要条件是通项趋向于零 于是 解法 利用夹逼定理 探讨可能性发生困难时 转而探讨不可能性 下面我们例举数学史上两个最有名的问题 关于非欧几何的发现 欧几里得 几何原本 第一卷中给出了五个公设 其中前四个简单明了 前三个是作图的规定 第四个是 凡直角都相等 符合亚里士多德公理 自明性 的要求 唯独第五公设不仅文字啰嗦 而且所肯定的事实也不明显 而且只有第5公设涉及到无限 这是人们经验之外的东西 此公设是 若一直线和两条直线相交 所构成的两同旁内角之和小于两直角 那么把这两直线延长 它们一定在两内角的一侧相交 这公设等价于 在平面上 过直线外一点 只能作一条直线与这条直线平行 欧 当两条直线相交于非常遥远的地方时 就无法判断这两条直线是否平行 因此不具有直观的明显性 因此没有得到公认 于是就有人提出来把它作为定理来证明 但是许多数学家经历了2000多年都以失败告终 他们不是证明有错误 就是用另一条等价的公理代替了第五公设 达朗贝尔曾把第五公设的证明称为 几何原理中的家丑 直到19世纪初 数学家们着手研究它的反问题 欧几里得第五公设不可证 特别是德国的高斯 匈牙利的鲍耶 俄国的罗巴切夫斯基他们各自总结了前人和自己试证第五公设的失败教训 高斯 1799 1813 罗巴切夫斯基 1826 1829 鲍耶 1832 他们首先肯定了欧几里得第五公设是不能用其它公理作出证明 然后用一个与它相反的命题来代替它 即 在平面上 过直线外一点至少可引两条直线与已知直线平行 罗 罗巴切夫斯基把欧氏几何的命题按是否依赖于第五公设 平行公设 分为两部分 不依赖于第五公设得到证明的命题 绝对几何 依赖于第五公设才能证明的命题 从而建立了一种与欧几里得不同的新的几何体系 高斯称之为 反欧几里得几何 罗巴切夫斯基称之为 想象的几何 后他又称之为 泛几何 今天称之为罗巴切夫斯基几何 又称双曲几何 后来德国数学家黎曼用一个既与欧几里德第五公设的命题相反又与罗巴切夫斯基平行公理相反的命题来代替它们 即 在平面上 过直线外一点不可能引一直线与已知直线平行 黎 从而建立了一种与欧几里得几何 罗巴切夫斯基几何都不同的新的几何体系 现称为 黎曼几何 又称椭圆几何 现在人们把 罗巴切夫斯基几何与黎曼几何统称为 非欧几里得几何 黎曼 1854 20世纪伟大的数学家希尔伯特指出 19世纪最富启发性和最值得注意的成就是非欧几里得几何的发现 非欧几里得几何的创立是几何学上的革命 它不仅使数学家大开眼界 引起一些重要数学分支的产生 它的重要意义还在于使数学哲学的研究进入一个崭新的历史时期 它使人们对空间的认识更深刻 更完全了 例如 它对爱因斯坦的相对论提供了最合适的数学工具 因此许多人采用非欧几何学作为宇宙的几何模型 太平洋 欧几里得 三角形内角和 两直角 2 r c a2 b2 c2罗巴切夫斯基 三角形内角和两直角 2 r c a2 b2 c2后来许多几何理论都建立在改变和推广欧几里得几何概念的基础之上 例如 1844年格拉斯曼建立的n维仿射空间和度量空间几何 1871年克来因 关于五次及五次以上代数方程根式求解问题 在16世纪之前 数学家们就成功地找到了一般的一次 二次 三次 四次以及某些特殊的五次及五次以上代数方程的根式解法 如 那么 一般五次及五次以上的代数方程是否也存在根式解法呢 这个问题吸引着众多的数学家 他们相信这种解法一定存在 包括 卡当 Cardano 韦达 Viete 笛卡儿 牛顿 莱布尼茨 拉格朗日等等 但相继经历了两百多年的努力都未能找到解法 韦达 拉格朗日 经过无数次的失败之后 直到19世纪初 一些数学家产生了逆向思维 首先是鲁非尼 Ruffini 和拉格朗日 接着是阿贝尔 Abel 把问题的提法倒了过来 去思考它的反问题 一般五次及五次以上的方程不存在根式求解法 阿贝尔 Abel 阿贝尔从这种逆向思维出发 终于严格地证明了 一般五次及五次以上的方程不能用根式求解 不但彻底解决了这桩历史悬案 并且进而开创了近世代数方程的研究道路 包括群论和方程的超越函数解法 几何的三大难题 1 三等分任意角 2 化圆为方 3 倍立方 只用圆规 直尺 逆向思维的基本特点 从已有思路的反方向去思考问题 顺推不行 考虑逆推 直接解决不行 想办法间接解决 正命题研究过后 研究逆命题 探讨可能发生困难时 考虑探讨不可能性 它有利于克服思维定势的保守性 它对解放思想 开阔思路 发现新生事物 开辟新的方向 往往能起到积极作用 例如 毒蛇 蝎子都令人生畏 但有人大胆地逆向思考 提出了以毒攻毒 结果制成了许多珍贵的药品 英国医师琴纳 Jener 发现牛痘能够预防天花 实际上也是使用了逆向思维 围魏救赵 36计 中的第2计 桂陵 今长垣县西边 大梁 今开封 大梁 司马光击缸救人 常规办法 人离 缸完 水存 司马光采取了非常规办法 缸破 水流 人存司马光的急救之策 被世人称颂 诸葛亮草船借箭 20只船 五 数学与猜想 牛顿 没有大胆的猜想 就做不出伟大的发现 G 波利亚 要想成为一个好的数学家 你必须是一个好的猜想家 牛顿 波利亚 数学猜想是指依据某些已知事实和数学知识对未知量及关系所作出的一种似真的推断 它是数学研究的一种常用的科学方法 又是数学发展的一种重要思维形式 它是科学假说在数学中的具体表现 数学猜想作为一种数学潜形态 它常常是数学理论 定理 的萌芽和胚胎 它往往是数学发展到积累了大量资料 需要进行理论整理 探索其理论内部的矛盾规律这一阶段上产生出来的 数学的创造过程与其它知识的创造过程一样 你先得把观察到结果加以归纳 类比 通过猜想 著名数学教育家波利亚 Polya 说 在前辈数学家中 欧拉对我的影响最大 主要原因在于 欧拉做了一些跟他才能相当的伟大数学家从没做过的事 即他解释了他是如何发现他的结果的 对此 我是如获至宝 欧拉关于多面体的猜想 八面体 塔顶 体 截角立方体 猜想 是否面 F 的数目越多 顶点的数 V 越多 猜想 是否边 E 的数目越多 面数 F 越多 顶点 V 也越多呢 F V E 2 由归纳得出 F V E 2 F V E 2 亭体的推广 F n 1 V 1 E n 2从而F V E 2截角立方体的推广 F 1 V n 1 E n 2从而F V E 2 棱 水平边 4 3 12非水平边 4 3 12从而E 24面 F 4 3 12顶点 V 4 3 12从而F VE 2 类比 凸多边形 如 显然有V E 角 顶点 边 棱 将