对称思想方法的意义
对称思想具有重要的意义,首先,我们通过引用大科学家的名言来体会:杨振宁:“对称,非常重要,非常基本,哲学家、科学家很自然会广泛应用。”李政道:“艺术与科学,都是对称与不对称的巧妙组合。”“对称的世界是美妙的,而世界的丰富多彩又常在于它不那么对称。”两位正是对对称性的青睐,获取了弱相互作用和宇称守恒问题的研究成果。
居里的“对称性原理”:“对称的原因必然导致对称的结果;不对称的原因可能导致对称的结果;不对称的原因可能导致不对称的结果;对称的原因不可能导致不对称的结果。”读起来好似绕口令,却和波利亚的解题方案相一致,与此同时,你能不能想到咱们学过的互为逆否命题的两个命题真假性相同?波利亚在《怎样解题》一书中,论述了对称性在我们的解题过程中的重要性。他强调:“如果一道题目具有某些方面的对称性,我们常常能得益于注意到可以互换的各部分,而且,常常值得我们用同样的方式来处理那些起相同作用的部分。”他还说“对称的东西要尽量对称地处理,不要有意破坏任何自然的对称性。”对由来已久的难题的解决,进一步证实了他的论断:
例如:已知如上图每个方格都是正方形,求从点A到点B的最短路径数。
对图形中3*3结点分析和计算得到在每个结点最短路径数为下图数阵:
把这个数阵旋转一下,这让我们惊讶地想起杨辉三角,每一个数是它肩上的两个数的和。如下图
这样对这类问题,我们就可从杨辉三角的角度给出一个更一般性的解法,即分别以两边的结点为边作平行四边形,另一个顶点所对应的数就是我们所要求的值。易知从A到B的最短路径数有35种。
其次,应用对称思想指导我们的解题实践,往往能出奇制胜,充分体现对称思想的现实意义,下面举四例来说明:
例1:解关于的方程:
时,有人通过去分母、合并同类项,
整理成一元二次方程,解得,
,你认为正确吗?事实上,
显然是方程的解,而原方程关于
对称(将
互换,方程是同一个),可知应有
,而不是
。
例2:解方程组此题无法用代入法或分解法,也
很难用加减法。但是我们注意到将与
互换,方程组不变,所以将方程用
和
表示,即为
我们设
代入原方程组得
这样我们知道先消去,求得
,再求得
。最后得到四组解
为
。我们看到对称方程组的解也是对称的。
例3:求方程的所有正整数解。由于
与
的对称性,我们不妨设
。符号
,可知
。于是
,
即有,所以
,得
。因此,
都只能在
中取值。经过计算,易得
,
例4设,
,求证:
。我们可以把平均数看作“对称中心”令
,则
,于是
对称思想的重要性以及它的应用性是显而易见的。简而言之,使用对称思想方法可以使纷乱的问题理出头绪,脉络分明;使用对称思想方法可以化繁为简,化难为易,化拙为巧;使用对称思想方法既能有效提高解题速度,又能锻炼各种能力,所以我们在解题活动中重视对称思想是非常必要的。当然,对称并不是万能的,它只是启发我们在解决问题时,多一种角度,多一种思维方法,就象我们观察事物时,如果所站的立场不同,观察到的结果也会大相径庭。如面对同一棵大树,画家也许从美学角度去欣赏它,木匠也许更多地考虑它的实用价值,而植物学家贝更倾向于它的生命形态特征。类似地,我们思考数学问题时,如果“山穷水尽疑无路”时,不妨换一个角度去观察,换一种方法去思考,也许就会“柳暗花明又一村”。
最后,对称思想还具有美育意义。美育教育是培养和发展受教育者的感性能力、它包括感受力、鉴赏力、想象力、创造力等,是培养健全高尚人格,塑造完美理想人性,以最终实现人与自然、人与社会、即人与人自身感性和理性的和谐的终极追求。
对称美是数学美的特征之一,而数学美是数学教材中所固有的,但教材是按知识体系展开的,对称思想方法和其它数学美知识蕴涵在其中,这就需要我们有意识、有目的地挖掘、整理,鉴赏数学美、创造数学美。正如毕林斯雷所言“许多艺术能够美化人们的心灵,但却没有哪一种艺术能比数学更有成效地去美化和修饰人们的心灵”。