数学证明方法“大聚会”

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  苏科版《数学》八年级上册“轴对称图形”内容呈现的最大特点是——在探索中不断地进行表达形式多样化的证明.课本安排了折纸、画图、猜想等多种活动,为同学们提供自主探索的空间,引导大家在“做”中感悟轴对称图形的数学本质,然后又通过图形运动法、综合法、分析法、反证法、类比法等探索得到一些结论.现结合课本中的具体例子一一阐述.
  一、图形运动法
  图形运动(平移、翻折、旋转)既是探索发现图形旋转的有效手段,也是证明图形性质的一种方法.在本章中,运用“图形运动”的方法,证明了以下性质定理:(1)线段垂直平分线性质定理——线段垂直平分线上的点到线段两端点的距离相等;(2)角平分线性质定理——角平分线上的点到角两边的距离相等;(3)等腰三角形性质定理——等腰三角形的两底角相等以及等腰三角形底边上的高、中线、顶角平分线重合.下面仅以“角平分线性质定理”的证明加以说明.
  例1 (课本第54页)在∠AOB的平分线上任意取一点P,分别画点P到OA和OB的垂线段PC和PD(如图1).PC与PD相等吗?
  证明略,这里虽然可以运用直角三角形全等加以证明,但课本中先运用图形运动——翻折,再利用角的轴对称性证明PC=PD(如图2),目的是引导同学们不断感受证明过程中不同的表达形式,这样有利于不断培养同学们的几何直观能力.
  练习1 如图3,AD是等腰三角形ABC的顶角平分线,P是AD上任意一点,连接BP、CP并延长,分别交AC、AB于点E、F.你能得出哪些结论?试用图形运动的方法选一个结论证明.
  二、综合法
  综合法是指从已知条件出发,借助一些性质和有关定理,经过逐步逻辑推理,最后得到待证结论或需求问题,其特点和思路是“由因导果”,即从“已知”看“可知”,逐步推向“未知”.
  例2 (课本第55页)已知:如图4,△ABC的角平分线AD、BE相交于点P.求证:点P在∠C的平分线上.
  证明略,辅助线的作法如图5.综合法形式简捷,条理清晰,逻辑结构严谨,但往往枝节丛生,难以一下子达到目的.在本例的解答中,同学们仍然会找全等三角形,而不是直接运用角平分线的性质定理和逆定理.所以在解决此题时同学们可以充分讨论、交流、分析,自己完善、简化证明的思路,打破思维定式的束缚,发展思维的灵活性,使证明方法最优化.
  练习2 (课本第57页习题5)已知:如图6,AB=AC,DB=DC,点E在AD上,求证:EB=EC.
  三、分析法
  从要证明的结论出发,逐步寻找使它成立的充分条件,直至最后,把要证明的结论归结为判定一个明显成立的条件,这种证明方法叫分析法.它的基本思路是“执果索因”,即从数学题的待证结论或需求问题出发,一步一步地探索下去,最后达到题设的已知条件.
  例3 (课本第56页)已知:如图7,AD是△ABC的角平分线,DE⊥AB,DF⊥AC,垂足分别为E、F.求证:AD垂直平分EF.
  证明略.分析法是从“未知”看“需知”,渐渐靠拢“已知”.它叙述冗长,但常常根底渐近,有希望成功.考虑到逆向的分析思考比顺向的综合思考要求更高,课本在本章第四节后,安排了关于生活中“倒过来想”——司马光砸缸的阅读材料,有利于同学们学会逆向分析的思考方法.我們在实际解题时,应把综合法和分析法结合起来运用,先用分析法寻求解题思路,再用综合法有条理地表达解题过程,这就达到了扬长避短、相互协调、相得益彰的良好目的.
  练习3 (课本第58页习题10)已知:如图8,∠BAC的平分线与BC的垂直平分线相交于点D,DE⊥AB,DF⊥AC,垂足分别为E、F.求证:BE=CF.
  四、反证法
  由于原命题与逆否命题等价,所以当证明原命题有困难或者无法证明时,可以考虑证明它的逆否命题,通过正确推理,如果逆否命题正确或者假设原命题不成立,推出与原命题题设、公理、定理等不相容的结论,也就证明了原命题的结论是正确的.这种证明方法叫反证法.
  例4 (课本第52页)线段的垂直平分线外的点到这条线段两端点的距离相等吗?为什么?
  不相等,证明略.牛顿曾经说过:“反证法是数学家最精当的武器之一.”一般来讲,反证法常用来证明从正面证明有困难、情况多或复杂,而命题的否定则比较浅显的题目,这样,问题可能解决得十分干脆.
  练习4 已知,如图9,点P在∠AOB内,PC⊥OA,PD⊥OB,垂足分别为C、D,且PC≠PD.求证:点P不在∠AOB的平分线上.
  五、类比法
  类比法也叫“比较类推法”, 类比推理是根据两个或两类对象有部分属性相同,从而推出它们的其他属性也相同的推理,或者由一类事物所具有的某种属性,可以推测与其类似的事物也应具有这种属性的推理方法,简称类推、类比.其结论必须由实验来检验,类比对象间共有的属性越多,则类比结论的可靠性越大.课本在本章后面安排了关于“等腰梯形”的阅读材料,作为本章内容的延伸和拓展——运用与等腰三角形“类比”的方法探索等腰梯形的性质.
  例5 (课本第68页“阅读”,有删改)如图10,在等腰三角形纸片ABC上,画底边BC的平行线DE,可得到一个梯形DBCE.由∠B=∠C,DE∥BC,可知∠ADE=∠AED,于是AD=AE.又AB=AC,从而DB=EC.像梯形DBCE,两腰相等的梯形称为等腰梯形.如果把图10的等腰三角形纸片ABC沿顶角平分线AM折叠,那么AB与AC重合.由于AD=AE,可知点D与点E重合(如图11),于是MB=MC,ND=NE.由此,你能得出哪些结论?选一个结论证明.
  解答略.类比法的特点是“先比后推”.“比”是类比的基础,既要“比”共同点也要“比”不同点.对比对象之间的共同点是类比法能够施行的前提条件.
  练习5 (课本第69页“阅读”)如图12,在梯形ABCD中,AD∥BC,∠B=∠C.求证:梯形ABCD是等腰梯形.
  总之,从本章开始,证明的方法将越来越多样化.其中性质定理的证明多次采用图形运动的方法,目的是不断发展同学们对图形直观把握的能力,逐步形成一种审视、处理问题的方式;而例题的解答则较多地采用分析和综合的方法,目的是让同学们明白,在解题中,应把分析和综合两者有机地结合起来,既要注重分析,又要学会综合,还要会联合运用这两种方法进行思考和论证,同时还让同学们适时了解了反证法和类比法,堪称数学证明方法的 “大聚会”.
  (作者单位:江苏省常州市新北区浦河实验学校)
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