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n条直线相交最多的交点数是多少(n条直线相交的交点规律)

来源:原点资讯(m.360kss.com)时间:2023-04-19 11:49:10作者:YD166手机阅读>>

很多时候,当孩子碰到一道没有做过的数学题时,不会立刻就想到解法。那么,遇到未知问题时,该如何解决呢?

小学阶段,抽象能力(包括从物体到数的抽象和从数到符号的抽象)以及类比与归纳推理能力是要着重培养的能力。关于这一点,可参考我之前的文章《深度好文:小学数学应该学什么,怎么学?》。

有些人喜欢夸夸其谈地讲大道理,但就数学而言,缺乏具体案例来讲道理难免会让大道理成为无源之水。我更喜欢把道理融入到具体的案例中。下面就通过一个例子及其拓展来展示如何发展这些能力。

下面这道题是我做过的经典问题之一:

n条直线最多把平面分成多少部分?

如果没有做过这个问题,那绝大部分人的第一反应会是从最简单的开始尝试。这就非常好。探索和尝试本来就是最可贵的解题品质。

直线条数n

最多将平面分成的块数

0

1

1

2

2

4

3

7

4

11

观察上面的规律,1,2,4,7,11,后面一个应该是16。

大部分学生到这里都可以总结出具体的结论,如:第10条直线在第9条直线的基础上可以多分出10块,第100条直线可以在第99条直线的基础上多分出100块。

我们的工作是要引导孩子撇开具体的数,进而完成从10或100这些具体的数到符号n的抽象,这也是是小学阶段要培养的主要能力之一。

一般化地,n条直线最多把平面分成的块数为n-1条直线最多把平面分成的块数加n。

有了上面的结论,可以进一步推导出n条直线共把平面分为:

n条直线相交最多的交点数是多少,n条直线相交的交点规律(1)

验算一下:当n=1,2,3时,分别为2,4,7,满足。

(注:在刚开始尝试符号抽象的时候,孩子经常会犯一些错误,这时候用具体值代入验算能确保及早发现并纠正错误。)

解题到这当然不算结束,核心问题还没有解决。

我们刚才的归纳只是一种猜测。归纳有可能正确,有可能错误。为此,我们还需要证明刚才归纳的正确性。为什么n条直线最多分的块数是在n-1条直线最多分的块数基础上加n呢?这就涉及到“直线-交点-线段-平面”之间的关系。

我们知道,如果一条直线上有n个点,那么这些点将把这条直线分成n 1段。

原来有n-1条直线,加上第n条直线后,这第n条直线最多与之前的n-1条直线有n-1个交点,这些交点将把第n条直线分成n段。而每一段都将把原来的一个区域一分为二,因此多出了n块。下图给出了n=3的示意图。

n条直线相交最多的交点数是多少,n条直线相交的交点规律(2)

如果是应试,这个问题就结束了。但如果是平时,我们还得多想一点。如果不是直线,而是封闭的圆形,那么会如何?这就是常说的举一反三能力。比如下面的问题:

n个圆,最多把平面分成多少部分?

同样,我们可以从小规模开始尝试并归纳。

圆的个数n

最多将平面分成的块数

0

1

1

2

2

4

3

8

很多人据此就开始归纳:每多一个圆,最多将平面分成的块数将比之前翻倍。

但如果继续画4个圆,就发现怎么都分不出16块。4个圆,我们只能最多分出如下图所示的14个区域。所以,归纳是经验的总结,但有的时候并不一定正确。为了获得正确的归纳,我们不要吝啬自己的劳动,要有尽可能多的样本才行。

n条直线相交最多的交点数是多少,n条直线相交的交点规律(3)

因此,我们得到了1,2,4,8,14这个序列。猜测一下,后面应该是22才对。

推理的过程,则可以类比直线分平面的做法。如果在n-1个圆的基础上增加一个圆,那这个圆最多与前面的n-1个圆有2(n-1)个交点(如上图所示,第4个红色圆加上去后,最多与前面的3个圆都相交,一共有6个红色的交点),这2(n-1)个交点把第n个圆分成2(n-1)段(注:封闭图形),每一段都把原来的一块一分为二,因此最多多分出2(n-1)块。

据此,n个圆最多将平面分成:

1 1 2 4 … 2(n-1)=2 n(n-1) (n≥1)

所以,这类问题的关键是看有几个交点。继续拓展一下,如果把圆换成三角形,又如何呢?

n个三角形最多把平面分成多少个部分?

有了前面直线分平面和圆分平面的做法,我们可以进行类比,考虑下面的问题:两个三角形最多有多少个交点?答案是6个。

一般化地,如果是在n-1个三角形的基础上再增加1个三角形,那这个三角形和之前的n-1个三角形最多可以有6(n-1)个交点,可以把第n个三角形分成6(n-1)段,因此多分出6(n-1)块。

当然,还可以对上面的图形进行组合,生成更复杂的问题,比如:

1个三角形,3个圆最多可以把平面分成多少部分?

这个问题,如果试图去画图,会比较吃力,很少有人能在没有理论指导的前提下画正确。尝试一下就知道,要让三角形与每个圆都有6个交点,这并不容易。

但这并不妨碍我们进行理论分析。理论上,先画3个圆,最多把平面分成8部分,然后再加1个三角形,这个三角形与每个圆最多有6个交点,总共最多有18个交点,这些交点将把这个三角形分成18段,因此多分出18块,总共8 18=26块。具体如下图。

n条直线相交最多的交点数是多少,n条直线相交的交点规律(4)

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