数学美的概念

1数学美的概念爱美之心人人皆有，也正是这样人们才会对美的事物不断的追求。数学家孜孜不倦的研究数学，和他们对美的追求是分不开的。数学美应是“数学中能带给人愉悦的东西”。学生学习数学觉得枯燥的一个重要原因是没有体会到“数学美”，不懂得欣赏数学美或缺少欣赏数学美的能力。因此，本文就主要从数学美的概念数学美与其它美的区别以及它的内容和在数学教育中的体现等方面充分挖掘数学美。通过对学生进行数学美的教育，有助于学生树立学习的信心，提高学习的兴趣，激发学习潜能，在学习中获得愉悦感。数学美是一种蕴涵的美，它需要从深处去挖掘。关于数学美的内容很多,本文是为了从浅层阐述数学的美,让学生初步感受数学中美的存在，所以本文就主要从数学美的概念、数学美与其它美的区别、数学美的内容和它在数学教育中的体现这几个方面作以下的阐述。一、数学美的概念美是人类创造性实践活动的产物，是人类本质力量的感性显现。通常我们所说的美以自然美、社会美以及在此基础上的艺术美、科学美的形式存在。数学美是自然美的客观反映，是科学美的核心。简言之数学美就是数学中奇妙的有规律的让人愉悦的美的东西。历史上许多学者、数学家对数学美从不同的侧面作过生动的阐述。普洛克拉斯早就断言：“哪里有数，哪里就有美。”亚里士多德也曾讲过：“虽然数学没有明显地提到善和美，但善和美也不能和数学完全分离。因为美的主要形式家是“秩序、匀称和确2定性”，这些正是数学研究的原则。”徐利治教授说：“作为科学语言的数学，具有一般语言文字与艺术所共有的美的特点，即数学在其内容结构上和方法上也都具有自身的某种美，既所谓数学美。数学美的含义是丰富的，如数学概念的简单性、统一性，结构关系的协调性，对称性，数学命题与数学模型的概括性、典型性和普遍性，还有数学中的奇异性等等都是数学美的具体内容。以上的论述可见，数学中充满着美的因素，数学美是数学科学的本质力量的感性和理性的呈现，它不是什么虚无飘渺、不可捉摸的东西，而是有其确定的客观内容。二、数学美与其它美的区别数学美有别与其它的美，它没有鲜艳的色彩，没有美妙的声音，没有动感的画面，它却是一种独特的美。美国数学家克莱因曾对数学美作过这样的描述：“音乐能激发或抚慰情怀，绘画使人赏心悦目，诗歌能动人心弦，哲学使人获得智慧，科技可以改善物质生活，但数学却能提供以上一切。”数学美与其它美的区别还在于它是蕴涵在其中的美。打个比方来说，大家一定都有这种感觉，绝大部分同学对音体美容易产生兴趣，而对数学感兴趣的不多。我认为，这主要有两个方面的原因：一是音体美中所表现出来的美是外显的，这种美同学们比较容易感受、认识和理解；而数学中的美虽然也有一些表现在数学对象的外表，如精美的图形、优美的公式、巧妙的解法等等，但总的来说数学中的美还是3深深地蕴藏在它的基本结构之中，这种内在的理性美学生往往难以感受、认识和理解，这也是数学区别于其它学科的主要特征之一。二是长期以来，我们的数学教材过分强调逻辑体系和逻辑推演，忽视数学美感、数学直觉的作用，长此以往，学生将数学与逻辑等同起来。一味注重数学的逻辑性而忽视了数学本身的美，学习的过程中就会感到枯燥无味缺乏兴趣。三、数学美的内容随着数学的发展和人类文明的进步，数学美的概念会有所发展，分类也不相同，但它的基本内容是相对稳定的，这就是：对称性、简单性、统一性和奇异性。（一）对称性所谓对称性，既指组成某一事物或对象的两个部分的对等性，从古希腊的时代起，对称性就被认为是数学美的一个基本内容。毕达哥拉斯就曾说过：“一切平面图形中最美的是圆，在一切立体图形中最美的是球形。”这正是基于这两种形体在各个方向上都是对称的。中国的建筑就很好的应用了数学的对称美，有许多的园林建筑都应用了这一点。数学中的这种对称处处可见：几何中具有的对称性（中心对称、轴对称、镜象对称等）的图形很多，都给我们一种舒适优美的感觉。几何变换也具有对称性。杨辉三角更组成美丽的对称图案14121133114641151010511615201561……分析：在杨辉三角的图案中每一行的除了首尾的数字是1以外，其他的数字是左上角和右上角的数字的和。这样就构成了有规律的并且是成对称的形状的三角图案了。集合运算中的下面两个公式的对称性也是极其优美的：C（A）=CACBC(AB)=CACB两个集合的并（交）的补集就是两个集合补集的交（并）。数学的解题中也体现对称美：例1、9999999999999999991239871解：原式=111111111×111111111=12345678987654321分析：分式的分子是九个九乘以九个九，分母是九个数字的和并且成对称的，结果也是九个数字组成的对称的结构，真是太出人意料了太美妙了例2、0×9+1=11×9+2=1112×9+3=1115123×9+4=11111234×9+5=11111…………………分析：例2中也蕴涵着对称留给读者去体会。此外代数中的对称多项式，有理系数的多项式方程无理根成对出现，实系数的多项式方程虚根成对出现，函数及其反函数图象的关系，线性方程组的距阵表示及克莱姆法则等都呈现出对称性。还有一个类似对称的词匀称。“匀称性”的概念可以看成“对称性”的概念的自然发展。线段的黄金分割就是一个典型的例子，主要是因为由此构成的长方形给人以“匀称美”的感觉。黄金分割比618.0215…也被誉为“人间最巧的比例”。世界上许多著名的建筑广泛采用黄金分割的比例。一些名画的主题，电影画面的主题大多放在画面的0.618处，给人以舒适的美感。乐曲中较长一段一般是总长度的0.618，弦乐器的声码放在琴弦的0.618处会使声音更甜美。另外，黄金分割比在优选法中有着重要的作用。（二）简单性汉语的语言要求言简意赅，同样数学作为逻辑性很强的学科它的语言表达也是简洁的。简单性（或称简洁性）也是数学美的一个基本内容。数学的简洁性是人类思想表达经济化要求的反映，它同样给人以美感。爱因斯坦说过：“美在本质上终究是简单性。”数学语言本身就是最简洁的文字，同时反映客观规律极其深刻，许多复杂的客观现象，总结为一定的规律时，往往呈现为十分简单的公式。欧拉给出的公式：V－Ｅ＋Ｆ＝２，堪称“简单美”的典范。世间6的多面体有多少没有人能说清楚。但它们的顶点数Ｖ、棱数Ｅ、面数Ｆ，都必须服从欧拉给出的公式，一个如此简单的公式，概括了无数种多面体的共同特性，令人惊叹不已。在数学中，像欧拉公式这样形式简洁、内容深刻、作用很大的定理还有许多。比如：圆的周长公式：C=2πR任意一个圆它的周长都满足这样的公式。勾股定理：直角三角形两直角边的平方和等于斜边平方。在所有的直角三角形中直角边和斜边都满足这样的关系。正弦定理：ΔＡＢＣ的外接圆半径Ｒ，则RCcBbAa2sinsinsin把三角形的边、角和它的外接圆的半径建立了简单的数学关系。数学中绝大部分公式都体现了“形式的简洁性，内容的丰富性”。正如伟大的希而伯特曾说过：“数学中每一步真正的进展都与更有力的工具和更简单的方法的发现密切联系着”。如笛卡尔坐标系的引入。对数符号的使用，复数单位的引入。微积分的出现都体现了数学外在形式更简洁，内容更深厚。著名的皮亚诺公式只用了三个不加定义的原始概念和五个不加证明的公理，显示了逻辑上的简洁。由此产生的自然数理论是现代数学基础研究的起点，这三个原始概念是“自然数”，“1”，“后继（数）”；五个公理是：公理一：1是自然数，公理二：任何自然数的后继也是自然数，公理三：没有两个自然数有相同的后继，7公理四：1不是任何自然数的后继，公理五：若一个有自然数组成的集合S含有1，且当S含有任一个自然数时，也一定含有它的后继，则S就含有全体自然数。（三）统一性所谓统一性，是指部分与部分、部分与整体之间的和谐一致。在数学中有好多数学统一性的例子。例如，引入负数，有了相反数的概念之后，有理数的加法和减法得到统一，它们可以统一为代数和的形式。有了倒数的概念，除以一个不等于零的数等于乘上它的倒数，于是乘法与除法得到了统一。例如平面几何中的相交弦定理、割线定理、切割线定理和切线长定理均可统一到圆幂定理之中。在体积计算中有所谓的“万能计算公式”，它能统一地应用于棱（圆）柱、棱（圆）锥及棱（圆）台的体积计算：V=31h(s+ss+s)其中h为相应几何体的高，s和s为起上下底面的面积。又如：在椭圆：22221(xyabab中，记左焦点为F，右顶点为A，短轴上方的端点为B，若该椭圆的离心率为512e，则ABF＝2。这样的椭圆不妨称之为“优美椭圆”。对双曲线也有“优美双曲线”：22221xyab的左顶点为A，右焦点为F，B是虚轴的一个端点，且双曲线的离心率为512e。它也有类似的性质：ABF＝2。（四）奇异性人们提起数学的时候通常会说“奇妙的数学”，数学的学习和解题中也有一些非常规的奇妙的解法等等。这些就是我们通常说的数学的奇8异性。徐利治教授说“奇异是一种美，奇异到极度更是一种美。”奇异性是数学美的一个重要特征，它反映了显示世界中非常规现象的一个侧面，也是数学发现中的重要美学因素。数学领域中的一些新的观念的产生，就是来自对奇异美的追求。毕达哥拉斯学派认为任何数量都可表示成整数或两个整数的比，而无理数的发现无疑是一个奇异的结果。它打破了原先的数的和谐性，被称为第一次数学危机。奇异性常常和数学中的反例紧密相联，反例的产生则往往导致人们的认识能够的深化和数学理论的重大发展。例如人们以为一切函数都是连续的，连续性不被人们所注目，当有间断点的函数出现以至于有著名的狄里克莱函数：D（x）=1,xx为有理数0，为无理数出现时，由于它在实数轴上处处有定义，但却处处间断，这种奇异性的发现使人们对连续性的美妙之处看得更清楚了。同样，当魏尔斯特拉斯给出处处连续而处处不可微的函数时，人们对可微的概念便有了更深刻的认识。关于数学的奇异性，接下来我讲一个蒲丰用投针求圆周率的近似值的试验也是数学方法奇异性的一个典型例子。有一天蒲丰邀请许多宾朋来家做了一个奇特的实验。他事先在白纸上画好了一条条有等距离的平行线，将纸铺在桌上，又拿出一些质量匀称长度为平行线间距离之半的小针，请客人把针一根根随便仍到纸上，蒲丰则在一旁计数，结果共投2212次，其中与任意平行线相交的有704次，蒲丰又做了一9简单的除法142.37042212，然后他宣布这就是圆周率的近似值，还说投的次数越多越精确。这个实验使人震惊，圆周率和一个表面看来毫不相干的随便投针实验沟通在一起。然而，这确实是有理论根据的。计算圆周率的这一方法新颖、奇妙而让人叫绝，充分显示了数学方法的奇异美。另外，四元数理论、突变理论、非欧几何等等无不显示出数学的奇异美还有这样一个问题：“凸n(n＞4)边形的对角线最多有几个交点？”这个问题，按照习惯，也许会从四边形开始，逐步通过五边形、六边形……来构造对角线的交点，从中归纳出一般规律。当一次次构造的尝试都未获得理想的结果时，我们要敢于放弃传统方法，另辟蹊径：一个交点是由两条对角线相交而成，两条对角线由四个顶点确定，而凸n边形任意四个顶点都能且只能确定一个交点，于是问题就转化为“在n个顶点中任意取四个，共有几种取法。”新颖的方法带来了意想不到的效果，这便是化归法的奇异美所在。在教学“奇妙的9”时，举了一些式子也是数学奇妙性的反映2×9=181+8=913×9=1171+1+7=926×9=2342+3+4=956×9=5045+0+4=978×9=7027+0+2=9通过观察，他们发现任意的一个自然数乘9，乘的的积的各个数位上的和均为9，这是多么美妙的发现，学生在体验到成功的喜悦的同时，也体会到了数学的神奇美。总之，数学美是充满了魅力的，数学美的力量是巨大的，数学美的思想是神奇的。它可以让学生在学习的过程中不再厌烦数学，让他们认识到数学也是一个五彩缤纷的美的世界，对数学产生浓厚的兴趣，10兴趣是最好的老师，那样他们才会学的更好更快。美的课堂教学，可以让学生主动、积极地参与教学的全过程，从中体验知识的内在美，从而主动地去追求美的事物。