当前课程知识点:多元微积分(先修课) > 第一章 空间解析几何与向量代数 > 第一节 空间直角坐标系 > 平面初等几何
同学 你好
欢迎来到中国大学先修课
《多元微积分》MOOC课堂
我是中国科大微积分老师宣本金
网上人称“笨笨熊”老师
本讲 我们先回顾一下平面几何
为后面学习空间解析几何做一个铺垫
自从远古文明之初
因为生产和生活的需要
从刻画物品数量关系中
人们逐渐发展出“数”
及其运算等算术概念
从田地和牧场的面积计算中
人们逐渐发展出“形”
及其相互关系等几何概念
从一开始
描述“数”和“形”的
“算术”和“几何”
就以一种原始的形式共存
在长期的生产实践中
我们的祖先渐渐发现
许多数与数 数与形
以及形与形之间特殊关系
但是他们对于这些关系
是否具有更一般性的认识和理解
则还是一个疑问
因为在现存的古文字记载中
并没有发现通过严密的逻辑推理
证明一般数学规律的迹象
还停留在“知其然 而不知其所以然”的阶段
数学论证诞生于公元前1000年
古希腊以其深邃的理性成就了一条
从野蛮通向光明的成功之路
人们在描述这一特别的历史阶段时
常常用“觉醒”一词
人类确实已经从千百万年沉睡中
利用大自然最强大的武器—人类思维
勇敢地对抗这个陌生而神秘的世界
米利都的泰勒斯
是第一个在“知其然”的同时
提出“知其所以然”的学者
泰勒斯被公认为论证数学之父
泰勒斯极力主张
对几何陈述
不能仅凭直觉上的貌似合理
就予以接受
相反
几何结论必须经过严密的逻辑证明
在数学中引入逻辑证明
它的重要意义在于
保证了命题的正确性
揭示各命题之间内在联系
使数学构成一个严密的体系
为进一步的发展打下基础
使数学命题具有充分的说服力
令人深信不疑
相传泰勒斯第一个证明了以下
几个几何结论
两条直线相交
对顶角相等
三角形的内角和等于两个直角的和
等腰三角形的两个底角相等
直径对应的圆周角是直角
怎么样
这些结论现在感觉很自然
但是你能够有理有据一步一步地证明出来吗
同学 想一想
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勾股定理
直角三角形的斜边平方
等于两直角边平方之和
它是人类早期发现并证明的数学定理之一
用代数思想解决几何问题的重要工具之一
也是数形结合的重要纽带之一
在我国商朝时期
商高提出“勾三股四玄五”的勾股定理的特例
在西方
最早提出并证明此定理的
为公元前6世纪古希腊的毕达哥拉斯学派
因此 勾股定理又称为毕达哥拉斯定理
勾股定理现约有500种证明方法
是数学定理中证明方法最多的定理之一
欧几里得在《几何原本》里
给出了勾股定理及其逆定理的构造性的证明
如图
连接BF和CD
过C点作DE垂线
分别交AB DE于J和K
利用三角形和矩形面积之间的关系可以证明
正方形ACGF
与矩形ADKJ的面积相等
同理
正方形CBIH和矩形JKEB的面积相等
这就证明了勾股定理
那么如何证明勾股定理的逆定理
同学想一想 到学习讨论区
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月牙定理是指
以直角三角形两直角边为直径
向外做两个半圆
以斜边为直径向内做半圆
则三个半圆所围成的
两个月牙型的面积之和
等于该直角三角形的面积
月牙定理是古希腊数学家
希波克拉底发现的一个优美的定理
它在平面几何中有着广泛的应用
希波克拉底的论证
是建立在3个当时已经为已知的结论之上的
一是勾股定理
二是半圆上的圆周角是直角
三是两个圆的面积之比
等于其直径的平方比
请记住
当时还没有完整的圆面积公式
同学
你来当一次希波克拉底吧
在上述三个初步结论的基础之上
证明一下月牙定理吧
平面上不共线的三个点A B C
可以确定一个圆
如果第四个点也落在这个圆上
也就是A B C D四点共圆
那么四边形ABCD的四边边长
与两个对角线的长度之间有什么样的关系
利用几何画板的度量和计算功能
可以发现
四边形的两对 对边长度乘积之和
等于两个对角线长度的乘积
那么同学
你能利用平面几何知识证明这个结论吗
还有
如果第四个点D不落在这个圆上
也就是A B C D四点不共圆
那么四边形的两对 对边长度乘积之和
还等于两个对角线长度的乘积吗
同学 利用几何画板等软件
自己动手探索一下
归纳出一般性的结论
再证明一下
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2000多年前
古希腊数学家最先开始研究圆锥曲线
并获得了大量的成果
古希腊数学家阿波罗尼斯
采用平面切割圆锥的方法研究这种曲线
在他的著作中
阿波罗尼斯使用纯几何方法
已经取得了今天高中
数学中关于圆锥曲线的全部的性质和结果
例如
通过抛物线的焦点—准线的定义
即抛物线是到焦点
和到准线的距离相等的点的轨迹
可以利用初等几何的方法
作出抛物线的切线
如图
线段NP和PF夹角的角平分线
就是抛物线在P点处的切线
同学
你能解释抛物线切线的这种初等作法吗
进一步地
你能利用这个思想
作出椭圆或者双曲线上
任意一点处的切线吗
到学习讨论区
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我们来考察椭圆上的弦MN作平行移动时
弦MN中点P的运动轨迹
同学
你可以自己动手
利用几何画板等软件探索一下
你有什么发现
你可以利用逻辑演绎推理方法
证明你的发现吗
本讲通过几个典型的平面几何结论
我们简单回顾了数学论证的起源
理解数学证明的必要性
通过对直观的几何结论的探索和证明
理解初等几何的“看图说话”式的
构造性证明思想和方法
当然
初等几何的证明方法适用于特殊图形
或者有时显得技巧性太强
对于一般的和较为复杂的几何图形并不适用
历史呼唤更为简单
更为强大的证明思想和方法
这就是由笛卡尔等人开创的
平面解析几何思想和方法
那么什么是解析几何
请听下回分解
-第一节 空间直角坐标系
--平面初等几何
--平面解析几何
--空间直角坐标系
--空间图形与方程
-第一节 空间直角坐标系--作业
-第二节 空间向量及其运算
--向量及其几何表示
--向量的代数表示
--向量的数量积
--数量积的应用
--平面方程及其应用
--向量的向量积
--向量积的应用
-第二节 空间向量及其运算--作业
-第三节 空间解析几何
--空间曲面方程
-第三节 空间解析几何--作业
-第一节 多元函数
--平面点集及其分类
--多元函数
-第一节 多元函数--作业
-第二节 多元函数的极限
--二重极限的定义
--二重极限的性质
--二重极限的计算
-第二节 多元函数的极限--作业
-第三节 多元函数的连续性
--多元函数的连续性
-第三节 多元函数的连续性--作业
-第一节 偏导数与方向导数
-第一节 偏导数与方向导数--作业
-第二节 多元函数的一阶可微性
-第二节 多元函数的一阶可微性--作业
-第三节 一阶微分的应用
-第三节 一阶微分的应用--作业
-第四节 多元函数的高阶可微性
-第四节 多元函数的高阶可微性--作业
-多元微分学总结
--多元微分学总结
-第一节 直角坐标系下的二重积分
-第一节 直角坐标系下的二重积分--作业
-第二节 二重积分的计算
--二重积分的换元法
--二重积分计算举例
-第二节 二重积分的计算--作业
-第三节 二重积分的应用
-第三节 二重积分的应用--作业
-第四节 直角坐标系下的三重积分
--三重积分计算举例
-第四节 直角坐标系下的三重积分--作业
-第五节 其它坐标系下的三重积分
-第五节 其它坐标系下的三重积分--作业
-第六节 三重积分的计算与应用
--三重积分的换元法
--三重积分应用举例
-重积分总结
--重积分总结
-第一节 第一型曲线积分及其应用
--平面曲线弧长
-第一节 第一型曲线积分及其应用--作业
-第二节 第一型曲面积分及其应用
--曲面的面积
-第二节 第一型曲面积分及其应用--作业
-曲线曲面积分总结
--曲线曲面积分总结