我國(guó)著名數(shù)學(xué)家華羅庚曾說過:“數(shù)缺形時(shí)少直觀,形少數(shù)時(shí)難入微;數(shù)形結(jié)合百般好,隔離分家萬事休”.?dāng)?shù)學(xué)中,數(shù)和形是兩個(gè)最主要的研究對(duì)象,它們之間有著十分密切的聯(lián)系,在一定條件下,數(shù)和形之間可以相互轉(zhuǎn)化,相互滲透.
而向量卻是數(shù)形完美結(jié)合體。向量既是代數(shù)研究對(duì)象也是幾何研究對(duì)象,它是溝通代數(shù)與幾何的橋梁。因?yàn)榇笮儆诖鷶?shù),方向?qū)儆趲缀巍?br/> 數(shù)學(xué)家華羅庚提出了科研的四種境界:第一種是照葫蘆畫瓢模仿.剛開始做科研的人習(xí)慣于模仿參考文獻(xiàn)做一些小小的改進(jìn)和推廣,沒有什么創(chuàng)新.第二種境界是對(duì)現(xiàn)有的方法進(jìn)行改進(jìn)用來解決新問題或?qū)ΜF(xiàn)有方法進(jìn)行修補(bǔ)以更好地解決老問題.這和第一種境界沒有太大的區(qū)別,但這樣做時(shí),由于現(xiàn)有方法并不完全適用于新問題,還是有一些改進(jìn)工作要做的.而且,在用老方法嘗試解決新問題的時(shí)候可能會(huì)產(chǎn)生新的思路.所以,我們不要小瞧這樣的工作. 著名數(shù)學(xué)家陳景潤(rùn)“1+2”的研究成果就是利用挪威數(shù)學(xué)家布朗的“篩法”得到的.但一個(gè)人做數(shù)學(xué)研究不能老局限在這種“攀親”的境界里,而要考慮針對(duì)新問題有無更有效的方法.這就引出了做科研的第三種境界:用創(chuàng)新性的方法解決新問題或老問題.這種境界完全有別于前兩種境界,是創(chuàng)造力提高的表現(xiàn).科研的第四種境界是開辟新領(lǐng)域、新方向.這種拓荒探寶性的工作,其意義不言而喻.它要求很高,一般人也很難達(dá)到.
而向量方法就屬于科研的第三境界。
李邦河院士說:“根據(jù)我上大學(xué)以后搞數(shù)學(xué)研究的經(jīng)驗(yàn),數(shù)學(xué)根本上是玩概念,不是玩技巧。技巧不足道也!”
我們知道數(shù)學(xué)來自于生活生產(chǎn)實(shí)踐,數(shù)學(xué)上的每個(gè)概念都有現(xiàn)實(shí)的生活原型。數(shù)學(xué)家是考察了生活生產(chǎn)中的各種現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)這些現(xiàn)象有共同的模型,于是提煉出來得到數(shù)學(xué)上的一個(gè)概念。這也說明學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)就是學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)化。馬克思說理論來源于實(shí)踐,但理論對(duì)實(shí)踐具有反作用或能動(dòng)作用。馬克思唯物主義有個(gè)原則物質(zhì)決定意識(shí),但意識(shí)對(duì)物質(zhì)具有反作用或能動(dòng)作用。我們經(jīng)常說的話是沒有理論的實(shí)踐是盲目的,沒有實(shí)踐的理論是空洞的。
比如數(shù)學(xué)家提出向量概念,得到一套向量理論,按向量理論解決了許多數(shù)學(xué)問題。
那在生活生產(chǎn)實(shí)踐中哪些是向量的原型呢?
百度:“向量”的前世今生:8位天才數(shù)學(xué)家,耗時(shí)2000年完成?
1.4.1用空間向量研究直線、平面的位置關(guān)系
2.空間中直線、平面的平行
溫州市甌海區(qū)三溪中學(xué) 張明
我們知道,直線的方向向量和平面的法向量是確定空間中的直線和平面的關(guān)鍵量。那么是否能用這些量來刻畫直線、平面的平行、垂直關(guān)系呢?首先來看平行的問題。
由直線與直線、直線與平面或平面與平面的平行關(guān)系,可以得到直線的方向向量、平面的法向量間的什么關(guān)系。也就是把幾何關(guān)系轉(zhuǎn)化成向量關(guān)系。
把幾何關(guān)系轉(zhuǎn)化為向量關(guān)系。
例1證明“平面與平面平行的判定定理”:若一個(gè)平面內(nèi)的兩條相交直線與另一個(gè)平面平行,則這兩個(gè)平面平行.
此結(jié)論由“直線與平面平行,則直線方向向量與平面法向量的關(guān)系”得出。把幾何關(guān)系轉(zhuǎn)化為向量關(guān)系。
平面與平面平行的判定定理
如果一個(gè)平面內(nèi)兩條相交直線與另一個(gè)平面平行,則這兩個(gè)平面平行.
同學(xué)們注意這不是公理是定理。
1.用向量方法證明“直線與平面平行的判定定理”:若平面外一條直線與此平面內(nèi)的一條直線平行,則該直線與此平面平行.
因?yàn)閘//m,所以 .
經(jīng)過a,b確定一個(gè)平面
假設(shè) 與 有公共點(diǎn)P,則 ,點(diǎn)P是a與b的公共點(diǎn),這與 矛盾,
定理1:一個(gè)平面內(nèi)的兩條相交直線與另一個(gè)平面平行,則這兩個(gè)平面平行。 定理2:若平面外一條直線與此平面內(nèi)的一條直線平行,則該直線與此平面平行.
反思:此類題典型的說明了向量法與幾何法各有什么優(yōu)劣。結(jié)合前面幾節(jié)課的內(nèi)容。 幾何法:缺點(diǎn):幾何法復(fù)雜難懂,需要空間想象能力超強(qiáng)。幾何法思維的發(fā)生發(fā)展難,幾何法技巧性高個(gè)性強(qiáng),很不容易想到。 優(yōu)點(diǎn):幾何法證出來了我們就知道為什么能證出來,幾何法能看清幾何體的結(jié)構(gòu)本質(zhì)。幾何法是垂直我們就知道為什么垂直,因?yàn)橛袌D形為證。也因?yàn)閹缀畏ㄎ覀兪峭ㄟ^視覺,向量法卻是大腦的抽象思維。 向量法:優(yōu)點(diǎn):向量法簡(jiǎn)單明了沒幾步。此題可看出向量法的威力和優(yōu)越。向量法是證出來了也不知道為什么能證出來。向量法表面上是代數(shù)運(yùn)算實(shí)際上是幾何運(yùn)算,幾何運(yùn)算被隱藏起來了。向量法證明是空蕩蕩的,找不到一個(gè)堅(jiān)實(shí)的支撐點(diǎn)。向量法看不清楚。 結(jié)合前幾節(jié)課的題可看出向量法是只披著羊皮的狼。向量法求解與證明可以有統(tǒng)一的模式,幾何法卻是技巧性高個(gè)性強(qiáng),是一題一法。 缺點(diǎn):運(yùn)算量很大。
例2如圖,在長(zhǎng)方體ABCD-A1B1C1D1中,AB=4,BC=3,CC1=2.線段B1C上是否存在點(diǎn)P,使得A1P//平面ACD1?
2.如圖,在正方體ABCD-A1B1C1D1中,E,F分別是面AB1,面A1C1的中心,求證:EF//平面ACD1.
3.如圖,在四面體ABCD中,E是BC的中點(diǎn),直線AD上是否存在點(diǎn)F,使得AE//CF?
如圖,在正方體AC1中,O為底面ABCD的中心,P是DD1的中點(diǎn),設(shè)Q是棱CC1上的點(diǎn),問:當(dāng)點(diǎn)Q在什么位置時(shí),平面D1BQ//平面PAO?
空間中平行關(guān)系的向量表示設(shè)直線l,m的方向向量分別為a,b,平面α,β的法向量分別為μ,v,則
利用空間向量解決平行問題時(shí),第一,建立立體圖形與空間向量的聯(lián)系,用空間向量表示問題中涉及的點(diǎn)、直線、平面,把立體幾何問題轉(zhuǎn)化為向量問題;第二,通過向量的運(yùn)算,研究平行問題;第三,把向量問題再轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的立體幾何問題,從而得出結(jié)論.
注意:這里的線線平行包括線線重合,線面平行包括線在面內(nèi),面面平行包括面面重合,判斷有沒有線線重合等只需看圖就行。

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1.4 空間向量的應(yīng)用

版本: 人教A版 (2019)

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