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直角坐标系的前世今生——笛卡尔的真假故事(下)
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2022.11.20 黑龙江

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(4)图形变换下的坐标特征

例题六:

如图所示,在直角坐标系中,线段EF的端点E(-4,-1)、F(-1,-4),在平面内将线段EF平移到E’F’的位置,已知点E’的坐标为(1,1)求此时点F’的坐标。

反思:

通过分析,我们知道左右平移改变的是横坐标,上下平移改变的是纵坐标。而利用全等来解释,我们就会发现对应点的平移都是相同的。

例题七:

如图所示,在直角坐标系中,线段AB的端点A(-3,4)、B(4,1),在平面内将线段AB沿x轴折叠,求折叠后点A’、B’的坐标。

例题八:

如图所示,在直角坐标系中,线段AB的端点A(-3,4)、B(4,1),在平面内将线段AB沿直线y =2折叠,求折叠后点A’、B’的坐标。

例题九:

如图所示,在直角坐标系中,线段EF的端点E(-4,-1)、F(-1,-4),在平面内绕原点旋转180°,求旋转后点E’、F’的坐标。

例题十:

如图所示,在直角坐标系中,线段EF的端点E(-4,-1)、F(-1,-4),在平面内绕点P(1,2)旋转180°,求旋转后点E’、F’的坐标。

例题十一:

如图所示,在直角坐标系中,线段EF的端点E(-4,-1)、F(-1,-4),在平面内绕点P(1,2)逆时针旋转90°,求旋转后点E’、F’的坐标。

由于点P处有∠EPE’=90°,我们除了可以在这儿构造手拉手,也可以构造一线三

等角来处理(如下图)。

反思:

这儿的例题六是平移,例题七、八是翻折,例题九、十、十一是旋转,三者都是全等变换,所以我们在解决问题的过程中也都运用了全等三角形的相关知识。了解了本质,之后不管怎样平移,沿哪条线翻折,或是旋转任意的角度,都可以构造全等三角形求解。

例题十二:

轴的平移

平移坐标轴看似很复杂,其实本质一样,抓住线段长不变,看清变化后的点的象限,注意符号就行了。

如图所示在直角坐标系中,点A(-1,3),点B(3,2),现将直角坐标系的原点移到点A处,此时点B的坐标是多少?

由图可知此时点B在第四象限,AM=4,BM=1,所以此时点B的坐标为(4,-1).

总结:

通过上面各种类型的例题,我们可以发现解决直角坐标系中题目的方式方法。首先直角坐标系中就只有一类问题,那就是坐标和线段长之间的互相转化;解题的方法就是利用几何知识(对称、全等)将横着和竖着的线段进行转化;做题时要注意必要的讨论;最后我们要清楚无论坐标系怎样变换,线段的长是不变的,因为图形的形状和大小是固定的。

在此我不赞成给出什么公式,平移、翻折、旋转的公式都不应该让学生记住。搞清本质是全等,用几何的思维解决线段相等问题,然后利用坐标和线段之间的关系来求解。数学问题的解决就要直击问题本质,充分利用数形关系,避免数学学习文科化的倾向。

平面直角坐标系的意义

在笛卡尔之前,几何与代数是数学中两个不同的研究领域.笛卡尔站在方法论的自然哲学的高度,认为希腊人的几何学过于依赖于图形,束缚了人的想象力.对于当时流行的代数学,他觉得它完全从属于法则和公式,不能成为一门改进智力的科学.因此他提出必须把几何与代数的优点结合起来,建立一种“真正的数学”。

笛卡尔的思想核心是:把几何学的问题归结成代数形式的问题,用代数学的方法进行计算、证明,从而达到最终解决几何问题的目的.依照这种思想他创立了我们现在称之为的“解析几何学”。

1637年,笛卡尔发表了《几何学》,创立了平面直角坐标系。他用平面上的一点到两条固定直线的距离来确定点的位置,用坐标来描述空间上的点.进而创立了解析几何学,表明了几何问题不仅可以归结成为代数形式,而且可以通过代数变换来实现发现几何性质,证明几何性质。

解析几何的出现,改变了自古希腊以来代数和几何分离的趋向,把相互对立着的“数” 与“形”统一了起来,使几何曲线与代数方程相结合,达到完美的统一。笛卡尔的这一天才创见,更为微积分的创立奠定了基础,从而开拓了变量数学的广阔领域.最为可贵的是,笛卡尔用运动的观点,把曲线看成点的运动的轨迹,不仅建立了点与实数的对应关系,而且把形(包括点、线、面)和“数”两个对立的对象统一起来,建立了曲线和方程的对应关系。这种对应关系的建立,不仅标志着函数概念的萌芽,而且标明变量进入了数学,使数学在思想方法上发生了伟大的转折--由常量数学进入变量数学的时期。

关于笛卡尔的轶事

大家都看过景田百岁山的广告吧,其实这个广告跟笛卡尔有关。

1649年,斯德哥尔摩的街头,52岁的笛卡尔邂逅了18岁的瑞典公主克里斯汀。几天后,他意外的接到通知,国王聘请他做小公主的数学老师。跟随前来通知的侍卫一起来到皇宫,他见到了在街头偶遇的女孩子。从此,他当上了小公主的数学老师。

小公主的数学在笛卡尔的悉心指导下突飞猛进,笛卡尔向她介绍了自己心形线和研究的新领域--直角坐标系。每天形影不离的相处使他们彼此产生爱慕之心,公主的父亲国王知道了后勃然大怒,下令将笛卡尔处死,小公主克里斯汀苦苦哀求后,国王将其流放回法国,克里斯汀公主也被父亲软禁起来。

笛卡尔回法国后不久便染上重病,他日日给公主写信,因被国王拦截,克里斯汀一直没收到笛卡尔的信。笛卡尔在给克里斯汀寄出第十三封信后就气绝身亡了,这第十三封信内容只有短短的一个公式:r=a(1-sinθ)。国王看不懂,觉得他们俩之间并不是总是说情话的,将全城的数学家召集到皇宫,但没有一个人能解开,他不忍心看着心爱的女儿整日闷闷不乐,就把这封信交给一直闷闷不乐的克里斯汀。

公主看到后,立即明了恋人的意图,她马上着手把方程的图形画出来,看到图形,她开心极了,她知道恋人仍然爱着她,原来方程的图形是一颗心的形状。这也就是著名的'心形线'。

国王死后,克里斯汀登基,立即派人在欧洲四处寻找心上人,无奈斯人已故,先她一步走了,徒留她孤零零在人间...
据说这封享誉世界的另类情书还保存在欧洲笛卡尔的纪念馆里。

当然这是个美丽的谎言。

在历史上,笛卡尔和克里斯蒂娜的确有过交情。但笛卡尔是1649年10月4日应克里斯蒂娜邀请才来到瑞典,而当时克里斯蒂娜已成为了瑞典女王。笛卡尔与克里斯蒂娜谈论的主要是哲学问题而不是数学。有资料记载,由于克里斯蒂娜女王时间安排很紧,笛卡尔只能在早晨五点与她探讨哲学。笛卡尔真正的死因是因天气寒冷加上过度操劳患上肺炎导致的。

END

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