Основы теории геометрических построений

Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Введение

Вся история геометрии и некоторых других разделов математики тесно связана с развитием теории геометрических построений. Важнейшие аксиомы геометрии, сформулированные основоположником научной геометрической системы Евклидом около 300 г. до н.э., ясно показывают какую роль сыграли геометрические построения в формировании геометрии. «От всякой точки до всякой точки можно провести прямую линию», «Ограниченную прямую можно непрерывно продолжать», «Из всякого центра и всяким раствором может быть описан круг» – эти постулаты Евклида явно указывают на основное положение конструктивных методов в геометрии древних.

Древнегреческие математики считали «истинно геометрическими» лишь построения, производимые лишь циркулем и линейкой, не признавая «законным» использование других средств для решения конструктивных задач. При этом, в соответствии с постулатами Евклида, они рассматривали линейку как неограниченную и одностороннюю, а циркулю приписывалось свойство чертить окружности любых размеров. Задачи на построение циркулем и линейкой и сегодня считаются весьма интересными, и вот уже более ста лет это традиционный материал школьного курса геометрии.

Одной из самых ценных сторон таких задач является то, что они развивают поисковые навыки решения практических проблем, приобщают к посильным самостоятельным исследованиям, способствуют выработке конкретных геометрических представлений, а также более тщательной обработке умений и навыков. А это в свою очередь усиливает прикладную и политехническую направленность обучения геометрии. Задачи на построение не допускают формального к ним подхода, являются качественно новой ситуацией применения изученных теорем и, таким образом, дают возможность осуществлять проблемное повторение. Такие задачи успешно могут быть связаны с новыми идеями школьного курса геометрии (преобразованиями, векторами).

Геометрические построения могут сыграть серьезную роль в математической подготовке школьника. Ни один вид задач не дает, пожалуй столько материала для развития математической инициативы и логических навыков учащегося, как геометрические задачи на построение. Эти задачи обычно не допускают стандартного подхода к ним и формального восприятия их учащимися. Задачи на построение удобны для закрепления теоретических знаний учащихся по любому разделу школьного курса геометрии. Решая геометрические задачи на построение, учащийся приобретает много полезных чертежных навыков.

Объектом исследования квалификационной работы является процесс обучения геометрии.

Предмет исследования – различные методы решения задач на построение.

Цель данной работы – разработка обучающего модуля по теме «Методы решения задач на построение». Предлагается способ формирования у учащихся знаний и умений через решение системы геометрических задач на построение (коструктивных задач) с помощью различных методов.

Наиболее эффективным способом формирования умений является подбор специальных задач. Кажущаяся простота конструктивной задачи только усиливает к ней интерес учащихся, желание найти решение, которое порой требует умственного напряжения и изобретательности.

Основы теории геометрических построений

Задача на построение

Задачей на построение называется предложение, указывающее, по каким данным, какими инструментами, какую геометрическую фигуру требуется построить (начертить на плоскости) так, чтобы эта фигура удовлетворяла определённым условиям.

Решить задачу на построение с помощью циркуля и линейки – значит свести её к совокупности пяти элементарных построений, которые заранее считаются выполнимыми. Перечислим их.

1. Если построены две точки А и В, то построена прямая АВ, их соединяющая, а также отрезок АВ и любой из лучей АВ и ВА (аксиома линейки).

2. Если построена точка О и отрезок АВ, то построена окружность с центром в точке О и радиусом АВ, а также любая из дуг этой окружности.

3. Если построены две прямые, то построена точка их пересечения (если она существует).

4. Если построена прямая и окружность, то построена любая из точек их пересечения (если она существует).

5. Если построены две окружности, то построена любая из точек их пересечения (если она существует).

Сведение решения каждой задачи к элементарным построениям делает решение громоздким. Поэтому часто решение задачи сводят к так называемым основным построениям. Выбор некоторых построений в качестве основных в известной степени произволен. Например, в качестве основных построений можно рассмотреть следующие задачи: деление данного угла пополам; построение отрезка, равного данному; построение угла, равного данному; построение параллельной прямой, построение перпендикулярной прямой, деление отрезка в данном отношении; построение треугольника по трём сторонам, по двум сторонам и углу между ними, по стороне и двум прилежащим к ней углам; построение прямоугольного треугольника по гипотенузе и катету.

Решить задачу на построение – значит найти все её решения.

Последнее определение требует некоторых разъяснений.

Фигуры, удовлетворяющие условию задачи, могут различаться как формой так и размерами, так положением на плоскости. Различия в положении на плоскости принимаются или не принимаются в расчёт в зависимости от формулировки самой задачи на построение, а именно в зависимости от того, предусматривает или не предусматривает условие задачи определённое положение искомой фигуры относительно каких-либо данных фигур. Поясним это примерами.

Рассмотрим следующую простейшую задачу: построить треугольник по трём сторонам и углу между ними. Точный смысл этой задачи состоит в следующем: построить треугольник так, чтобы две стороны его были соответственно равны двум данным отрезкам, а угол между ними был равен данному углу. Здесь искомая фигура (треугольник) связана с данными фигурами (два отрезка и угол) только соотношениями равенства, расположение же искомого треугольника относительно данных фигур безразлично. В этом случае легко построить треугольник АВС, удовлетворяющий условию задачи. Все треугольники, равные треугольнику АВС, также удовлетворяют условию поставленной задачи. Однако нет никакого смысла рассматривать эти треугольники как различные решения данной задачи, ибо они отличаются один от другого только положением на плоскости, о чем в условии задачи ничего не сказано. Будем поэтому считать, что задача имеет единственное решение.

Итак, если условие задачи не предусматривает определённого расположения искомой фигуры относительно данных фигур, то условимся искать только все неравные между собой фигуры, удовлетворяющие условию задачи. Можно сказать, что задачи этого рода решаются «с точностью до равенства». Это означает, что задача считается решённой, если: 1) Построено некоторое число неравных между собой фигур Ф₁, Ф₂, … Ф_n, удовлетворяющие условиям задачи, и 2) доказано, что всякая фигура, удовлетворяющая условиям задачи, равна одной из этих фигур. При этом считается, что задача имеет n различных решений.

Рассмотрим теперь задачу несколько иного содержания: построить треугольник так, чтобы одной его стороной служил данный отрезок ВС, другая сторона была равна другому данному отрезку l, а угол между ними был равен данному углу α.

В этом случае условие задачи предусматривает определённое расположение искомого треугольника относительно одной из данных фигур (именно относительно отрезка ВС). В связи с этим мы иначе смотрим на вопрос о построении всех решений этой задачи. Как видно из рисунка 5, может существовать до четырёх треугольников, удовлетворяющих условию этой задачи. Они равны между собой, но по разному расположены относительно данной фигуры ВС. В этом случае полное решение задачи предусматривает построение всех этих треугольников. Считается, что задача имеет до четырёх различных решений, различающихся своим расположением относительно данной фигуры.

Итак, если условие задачи предусматривает определённое расположение искомой фигуры относительно какой-либо данной фигуры, то полное решение состоит в построении всех фигур, удовлетворяющих условию задачи (если такие фигуры существуют в конечном числе.

Метод подобия

Основная идея метода подобия состоит в следующем:

Сначала строят фигуру, подобную искомой так, чтобы она удовлетворяла всем условиям задачи, кроме одного. Затем строят уже искомую фигуру, подобную искомой и удовлетворяющую опущенному требованию.

Метод подобия находит применение обычно в случаях, когда среди данных лишь одно является отрезком, а все остальные данные-либо углы, либо отношения отрезков.

Обычно целесообразно вспомогательную фигуру строить так, чтобы она была подобна не только искомой, но и подобно расположена с ней. Успех решения зависит в этих случаях от выбора центра подобия.

При решении задач на построение методом подобия часто воспользоваться следующим замечанием. Если две фигуры подобны, то коэффициент подобия равен отношению любых двух соответствующих отрезков. Если отрезкам a, b, c,… фигуры Ф соответствуют отрезки a₁, b₁, c₁,… подобной фигуры Ф₁, то коэффициент подобия равен также отношениям:

Пример 1. Дан Ð АВС и внутри его точка М. Найти на стороне ВС точку Х, расположенную на одинаковом расстоянии от прямой АВ и от точки М.

Анализ. Пусть точка Х найдена так, что перпендикуляр ХY = МХ. Задача сводится к построению фигуры YХМ. Представим целый ряд фигур, подобных искомой фигуре. Достаточно построить одну из этих фигур, например РКN, так как останется провести из точки М прямую параллельную КР и задача будет решена.

Для построения фигуры РКN замечаем, что В есть центр подобия искомых фигур, и поэтому точки М, H, К и В лежат на одной прямой ВМ и PN ^ АВ, PN = BN, положение же точки Р произвольно. Поэтому для построения фигуры PKN надо в произвольной точке Р восстановить PN ^ АВ, из центра N описать радиусом PN дугу, которая пересечёт ВМ в точке К. Проводя МХ ║КN, можно определить искомую точку Х.

Построение.

1. ЕG ^ AB;

2. H = ω (G, EG)ÇBM;

3. MX ║ HG;

4. X = BCÇMX.

Доказательство. Опустив перпендикуляр ХY, из подобия треугольников находим МХ: GH = BX: BN = XY: GE, откуда МХ: GH = =XY: GE, но так как по построению HG = GE, то МХ = YX.

Исследование. Задача всегда возможна и имеет два решения, так как дуга из центра G встречает ВМ всегда в двух точках.

Пример 2. Построить треугольник АВС, если известно отношение АВ: ВС, Ð АВС и радиус вписанной окружности.

Анализ. Так как в искомом треугольнике известен угол и отношение сторон этого угла, то, оставив остальные условия, построим треугольник, подобный искомому. Для этого на сторонах данного угла отложим BD, равную m каких-нибудь равных частей, и ВЕ, равную n таких же частей, и соединим точки D и E. Тогда искомый треугольник и треугольник DBE подобны, так как они имеют по равному углу, заключённому между пропорциональными сторонами. Проводя в угле АВС отрезки, параллельные DE, будем получать треугольники, подобные искомому, но с различными радиусами вписанных окружностей; из всех этих треугольников надо выбрать один, у которого радиус вписанной окружности равен r. Определив центр О, легко построить сам треугольник.

Построение.

1. OF ^ DE;

2. OG = r;

3. Через G проводим AC ║ DE;

4. ∆АВС – искомый.

Доказательство. Следует из построения.

Исследование. Возможное решение всегда одно.

Алгебраический метод

Сущность метода заключается в следующем. Решение задач на построение сводится к построению некоторого отрезка (или нескольких отрезков). Величину искомого отрезка выражают через величины известных отрезков с помощью формулы. Затем строят искомый отрезок по полученной формуле.

Пример 1. Провести окружность через две точки А и В так, чтобы длина касательной к ней, проведённой из точки С равнялась а.

Анализ. Пусть через точки А иВ проведена окружность так, что касательная к ней из точки С равняется а. Так как через три точки можно провести окружность, то проведём СВ и определим положение точки К. Полагаем СК = х и СВ = с; тогда по свойству касательной сх = а².

Построение.

1) для построения х чертим полуокружность на ВС и дугу (С, а);

2) опустим LK ^ BC;

3) с × КС = а²; поэтому х = КС, и точка К будет искомая;

4) восстановив перпендикуляры из середин АВ и КВ до их пересечения найдём искомый центр О;

5) чертим окружность (О, ОА);

МС – искомая касательная.

Доказательство. МС² = СВ×КС = и МС = а, как и требовалось.

Исследование. Выражение a £ с – условие существования решения нашей задачи, так как только при этом условии дуга (С, а) пересечёт окружность СLB.

Пример 2. Из вершин данного треугольника как из центров опишите три окружности, касающиеся попарно внешним образом.

Анализ. Пусть АВС – данный треугольник, а, b , c – его стороны, х, у, z – радиусы искомых окружностей. Тогда Поэтому откуда

Построение.

1) проводим окружность S₁(A, x);

2) S₂(B, c – x);

3) S₃(C, b – x).

Доказательство. Найдём сумму радиусов окружностей S₁ и S₃:

= ВС.

Получили, что сумма радиусов равна расстоянию между их центрами, что и доказывает касание окружностей S₂ и S₃.

Исследование. Задача всегда однозначно разрешима, поскольку:

1. в треугольнике АВС сумма сторон , и поэтому отрезок х может быть построен;

2. , потому что (так как );

3. , так как .

Метод инверсии

Пусть нам дана некоторая кривая М и неподвижная точка К – начало или центр инверсии. Возьмём на кривой М точку А и на прямой КА определим точку А₁ так, чтобы абсолютное значение КА·КА₁ = к², где к – есть постоянная длина, то при движении точки А по кривой М точка А₁ опишет новую кривую N, которая называется обратной или инвертированной кривой.

Пусть у нас имеется фигура, состоящая из прямых и окружностей. Если эту фигуру инвертировать, то прямые и окружности превратятся в известные прямые и окружности, или в одни окружности, которые будут пересекаться под теми же углами, как и в данной фигуре. Если какая-нибудь точка данной фигуры представляла, например, вершину какого-нибудь угла, то в обратной фигуре она представит, вообще, точку пересечения окружностей, пересекающихся под тем же углом. Словом, обратная фигура удерживает до мельчайших подробностей своеобразное сходство с данной фигурой.

Зная отображённую фигуру и положение начала инверсии, нередко можно легко отгадать форму основной фигуры; что касается её размера, то для этого нужно знать степень инверсии.

Пример 1. Даны точка К две прямые АВ и ВС. Провести секущую КХY так, чтобы KX·KY = k ²(k – есть данная длина).

Анализ. Искомая точка Y есть пересечение прямой ВА с прямой, инвертированной к ВС с центром инверсии К и степенью к².

Построение.

1) опустим KL ^ BC;

2) на ВС отложим LN = k;

3) проведём MN ^ KN до пересечения KL в точке М;

4) окружность, описанная на диаметре МК встретит АВ в искомой точке.

Пример 2. Даны точки А, В и С. Через В провести прямую так, чтобы расстояния АХ и CY от этой прямой удовлетворяли равенству

АХ²- СY²= к².

Решение. Из равенства (АХ + CY) (AX – CY) = k ² вытекает необходимость ввести в чертёж сумму и разность AX и CY. Поэтому переносим параллельно CY в С₁Х и AC₁·AY₁ = k ². Если взять за центр инверсии А и за коэффициент к², то С₁ – есть точка окружности, инвертированной к прямой DY₁; диаметр этой окружности равен АС₁. Так как точки D и J соответственные, то AD·AJ = k ², что даёт возможность построить точку J. Тогда для определения точки С₁ имеем JC₁^ AD и окружность, диаметр которой равен АС.

Эксперимент

Практические занятия по теме «Методы решения задач на построение».

Цели: 1. Формирование знаний об этапах решения задач на построение и умений их осуществлять;

2. Формирование представлений об основных методах решения задач на построение;

3. Формирование навыков самостоятельной работы.

План занятий:

Этапы изучения темы	Тема занятия	Количество часов
1. Пропедевтический этап	Основы конструкти- вной геометрии. Ос- новные геометричес- кие построения.	2
2. Систематический этап	1. Метод пересечения фигур 2. Алгебрaический метод 3. Метод параллель ного переноса 4. Метод подобия	5
3. Итоговый этап	Самостоятельная ра- бота	1

Занятие 1

Занятие 2

Задача 1

Через точку А, лежащую в середине угла провести прямую так, чтобы точка А была серединой отрезка, отсекаемого от прямой сторонами угла.

1) Анализ. Дан угол А и точка внутри его. Точка будет удовлетворять условиям, если она будет лежать на пересечении диагоналей параллелограмма. Как сделать точку А точкой пересечения диагоналей?

Ученики: на продолжении отрезка КА построить АN = KA и достроить до параллелограмма.

2) Построение.

а) AN = AK;

б) Ð 1 = Ð 2 (NP È KP = P);

в) MP = KM;

г) MP – искомая.

3) Доказательство.

∆ КМА = ∆ APN (Ð 1 = Ð 2, KA = AN, Ð 5 = Ð 6).

4) Исследование:

МР – единственная прямая, так как точка А (как точка пересечения диагоналей) определена единственным образом.

Домашнее задание: Нерешённые задачи на дом;

Повторение этапов решения задачи.

Занятие 3

Занятие 4

Занятие 5

План-конспект урока

1. Организационный момент.

2. Проверка домашнего задания.

3. Объяснение нового материала.

Преподаватель: Сущность метода параллельного переноса состоит в следующем: какую-либо часть искомой фигуры переносят или параллельно самой себе, или другим образом, но на такое расстояние, чтобы вновь полученная фигура могла быть построена или непосредственно, или легче, чем искомая фигура. Направление такого переноса зависит от условия задачи и должно быть выбрано так, чтобы во вновь полученную фигуру вошло, по возможности, большее количество данных. Давайте рассмотрим пример.

Задача 1

Постройте трапецию по заданным сторонам.

Анализ. Пусть трапеция АВСD построена, ВС= а, АD= b, AB= c, CD= d Выполним параллельный перенос, определяемый вектором СВ. Тогда сторона СD перейдёт в BD . Треугольник АВD можно построить по трём сторонам c, d, b-a (b>a).

Затем продолжим отрезок АD на D D = a. Через точку В проведем прямую, параллельную АD и на ней отложим отрезок ВС= а. Соединим точки С и D. Полученная трапеция АВСD – искомая.

План построения очевиден.

Доказательство. В четырехугольнике АВСD BC параллельна AD, значит ABCD – трапеция в которой AB = c, AD =b, так как AD= b – a + a. BD = CD = d.

Исследование. Треугольник ABD можно построить по трём сторонам, если c – d < b – a < c + d. При этом условии однозначно выполнимы и все остальные шаги построения. Если неравенство c – d < b – a < c + d не выполняется, то задача при выбранных данных не имеет решения.

Задача 2

Построить параллелограмм по двум сторонам и углу между диагоналями.

Анализ. Пусть ABCD – искомый параллелограмм и АВ = а, ВС = b, угол между диагоналями равен α. Если выполнить параллельный перенос на вектор ВС, то Т_ВС(D) = D₁. Тогда AD₁ = 2b, ÐACD₁ = a, D – середина отрезка AD₁ и DC = а. Значит, точка С принадлежит геометрическому месту точек из которых отрезок AD₁ виден под углом a, и окружности S (D; a).

Построение.

1) AD₁ = 2b;

2) F₁ – геометрическое место точек из которых отрезок AD₁ виден под углом a;

3) D – середина отрезка AD₁;

4) S = S (D; a);

5) CÎF₁Ç S (D; a);

6) B = T_DA(C).

ABCD – искомый параллелограмм.

4. Домашнее задание: Постройте трапецию по основаниям и диагоналям.

Занятие 6

Тема: Метод подобия.

Цель: Выделить метод подобия.

Оборудование: Чертёжные инструменты.

План-конспект урока

1. Организационный момент.

2. Проверка домашнего задания.

3. Объяснение нового материала

Преподаватель: Основная идея метода подобия состоит в следующем:

Задача 1

Дан Ð АВС и внутри его точка М. Найти на стороне ВС точку Х, расположенную на одинаковом расстоянии от прямой АВ и от точки М.

Построение.

5. ЕG ^ AB;

6. H = ω (G, EG)ÇBM;

7. MX ║ HG;

8. X = BCÇMX.

4. Домашнее задание. Постройте треугольник с заданным периметром, подобный данному.

Результаты эксперимента

По проблеме исследования был проведён естественно – педагогический эксперимент.

Эксперимент проходил в три этапа:

Первый этап– констатирующий эксперимент.

При его проведении были выявлены знания учащихся по теме «Решение задач на построение». Использовались различные формы и методы выявления знаний: анкетирование, беседы с учащимися, наблюдение за деятельностью учащихся. В частности, был проведён срез №1: «Основные задачи на построение».

Срез №1

1. Постройте треугольник по двум сторонам и углу между ними;

2. Разделите данный отрезок пополам;

3. Постройте прямоугольный треугольник по гипотенузе и катету;

4. Какие этапы включает в себя решение задачи на построение?

5. Какие методы решения задач на построение вы знаете?

Работы учащихся представлены в приложении.

В результате, было выявлено, что у учащихся сформировано представление об основных задачах на построение; знания об этапах решения задач не полны (реализуется только два из четырёх этапов). Умения осуществлять анализ сформированы слабо.

Второй этап – поисковый

На этом этапе осуществлялся отбор содержания заданий, наиболее целесообразных форм работы с учащимися, в процессе выполнения которых происходит формирование методов решения (предлагаемые выше практические занятия).

Срез №2

Задача 1. Построить треугольник АВС по сторонам ВС и АС и углу АВС при основании.

Задача 2. Построить треугольник по двум углам α и β и медиане m, проведённой из вершины третьего угла.

Для проведения эксперимента были выбраны две группы учащихся примерно с одинаковым уровнем сформированности знаний и умений. Методы, рассматриваемые на занятиях в экспериментальной группе не выходят за рамки школьной программы.

Результаты эксперимента приведены в таблице:

	Эксперимент	альная группа	Контрольная	группа
	срез №1	срез №2	срез №1	срез №2
Количество учащихся	10	10	10	10
Знания об эта Пах решения задачи	20%	68%	22%	27%
Метод пере- ечения фигур	25%	80%	23%	25%
Алгеброичес- кий метод	28%	71%	24%	24%
Метод парал- лельного пе- реноса	30%	65%	26%	25%
Метод подо- бия	28%	70%	29%	31%

Как показывают данные эксперимента, качество знаний в экспериментальной группе значительно выше, чем

качество знаний в контрольной группе. В экспериментальной группе у учащихся сформированы знания о всех этапах решения задачи, основных методах их решения, они правильно определяют каким методом стоит решать ту или иную задачу на построение.

Таким образом эксперимент подтвердил выдвинутую нами гипотезу. В результате разработанной методики показатели стали намного выше.

Заключение

Систематическое изучение геометрических построений необходимо в школьном курсе, так как в процессе изучения задач они концентрируют в себе знания из других областей математики, развивают навыки практической графики, формируют поисковые навыки решения практических проблем, приобщают к посильным самостоятельным исследованиям, способствуют выработке конкретных геометрических представлений, а также к более тщательной обработке умений и навыков.

В работе рассмотрены общие положения теории формирования умения решать геометрические задачи на построение различными методами.

На основе анализа учебно-методической литературы сделан отбор материала для практических занятий по данной теме. Этот материал содержит теорию, включающую в себя основы конструктивной геометрии:

- аксиомы конструктивной геометрии;

- элементарные построения;

- основные построения.

Далее на практических занятиях были предложены основные методы решения задач на построение:

- метод геометрических мест точек;

- алгебраический метод;

- метод параллельного переноса;

- метод подобия.

В конце занятий проведён итоговый урок (контроль), который позволяет проверить теоретические знания, практические умения и навыки всех учащихся.

Введение

Объектом исследования квалификационной работы является процесс обучения геометрии.

Предмет исследования – различные методы решения задач на построение.

Основы теории геометрических построений

Дата: 2019-07-24, просмотров: 374.

12 3 4 5 6 7 8 9 Следующая ⇒