从一道初等几何题目聊聊作为工具的数学

╄→尐↘猪︶ㄣ 提交于 2020-08-06 23:24:24

作为一个在杭州的流民,每周末才能回家,早上例行家务,做完后例行刷10分钟手机,在朋友圈看到一个有意思的几何题,原题如下:
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哈哈,这正是我的菜,一直都是,遂放下手机,拿了几张打印纸,开始比划。

这等题目背后一定暗藏着某种奇技淫巧,必须作出辅助线才能真相大白,我先后尝试了:

  • 过C做CG平行于AB…
  • 在AD上截取一点G,使得AG=AB,则三角形AGC等边…
  • 过A作AG交DC于G,使得角BAG=60度…

其中最后一个奏效:
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很容易证明 △ A B G \triangle ABG ABG等边,由于 A C = A G AC=AG AC=AG,则可求 ∠ A G C = 80 \angle AGC=80 AGC=80,进而 ∠ D G A = 100 \angle DGA=100 DGA=100,这就好玩了,简单掐指一算, ∠ D A G = 40 \angle DAG=40 DAG=40,我靠, A G = D G AG=DG AG=DG,所以, △ G B D \triangle GBD GBD等腰啊,所以, ∠ B D G = 180 − 40 2 = 70 \angle BDG=\dfrac{180-40}{2}=70 BDG=218040=70,最终, ∠ B D A = 70 − 40 = 30 \angle BDA=70-40=30 BDA=7040=30

这一趟下来,丰满的很!我对这等奇技淫巧暗喜,从中学时代开始,我就惊叹于这等把戏,并且践行之,直到今日,我日常工作中,依然热衷于这种,详情参见我之前的文章。

由是我也付出了高昂的代价,我中学期间虽然数学竞赛能获奖,但高考失利,如今虽然能解决棘手问题,但不会编程…

如果 ∠ B A C = 81 \angle BAC=81 BAC=81怎么办?哈哈。

我写这篇文章,不是为了弘扬传统欧几里得几何学中众等奇技淫巧,更不是为了将此表述为所谓的艺术,虽然,在古希腊,这种技巧往往是贵族的娱乐活动之一,但真正的数学,必然是工具化的,思想化的。

我们需要一种工具。

这就是解析式,在笛卡尔坐标系中,这种问题便化作了一种流程化的算法,只需要记住简单的几个规则,这种问题便可以迎刃而解,即便 ∠ B A C = 82.3479 \angle BAC=82.3479 BAC=82.3479也无所谓。

随便选择一个原点 O O O建立平面直角坐标系,本例我选择BC的中点,并设 O C = 1 OC=1 OC=1
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很容易用点斜式求得直线 D C DC DC A D AD AD的方程:

L d c : y = tan ⁡ 30 × ( x − 1 ) L_{dc}:y=\tan 30\times (x-1) Ldc:y=tan30×(x1)
L a d : y − tan ⁡ 50 = tan ⁡ 70 × x L_{ad}:y-\tan 50=\tan70\times x Lad:ytan50=tan70×x

进而两个方程联立得到点D的坐标:

D : ( t a n 30 + t a n 50 t a n 30 − t a n 50 , 2 t a n 50 t a n 30 t a n 30 − t a n 50 ) D:(\dfrac{tan30+tan50}{tan30-tan50},\dfrac{2tan50 tan30}{tan30-tan50}) D:(tan30tan50tan30+tan50,tan30tan502tan50tan30)

接下来用两点式求的直线 B D BD BD的方程,最终用夹角公式求的直线 B D BD BD A D AD AD的夹角。

是不是降维打击!

一道精心设计的题目,在三角形以及其角度之间被隐藏了太多的信息,就好像捉迷藏,只有作出正确的辅助线才能让人恍然大悟的题目,在解析式面前显得如此苍白!

在解析式面前,甚至不需要挖掘出图形背后隐藏的等边三角形,随便一个人,只需要机械化演算,就能得到结果,这就是力量。

哦,对了,还有诸多类似 求阴影部分面积 的题目,也是隐藏了很多非常狠毒的把戏,然而在解析坐标系里的微积分面前,一切都将暴露,任何把戏都是无力的。

虽然解析式和微积分让人觉得枯燥,显得毫无技巧,但是它们确实是推动现代科学进步的工具,是的,它们真正将数学工具化了,数学不再是一种思维游戏,不再是捉迷藏的把戏,而实实在在成了扳手榔头…

哦,还有,计算机不会自己想到欧几里得几何的奇技淫巧,但它却可以完成规则更简单的解析式运算,到底什么是智能呢?

本质上,解析式就是把世界摆在了一个规则的网格里,你挨着数数就可以,遍历虽然低效,但总是可行的,而把戏并非每次都奏效,它是需要条件的…


浙江温州皮鞋湿,下雨进水不会胖。

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