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引入
同样的几何体,不同阶段所使用的解题技巧:
- 在初中,熟悉几何定理,需要添加辅助线
- 在高中,需要建立坐标系,采用向量的方法,套对应的公式
解析几何之所以强大,在于它将几何问题转化为代数问题,从而可以利用代数工具解决一些用传统几何方法难以处理的问题。下面是几个例子,展示了解析几何相对于传统几何方法的优越性:
案例1:找出三角形的外心
传统方法:在传统几何中,找到一个三角形的外心通常需要使用尺规作图法,通过作垂直平分线找到外心的位置,步骤繁琐且容易出错。
解析几何方法:在解析几何中,我们只需将三角形的顶点放在坐标系中,然后计算出三条边的中点,进而得到三条边的垂直平分线的方程。接着,两两求解这些直线的交点即可得到外心。计算过程可以通过代数运算完成,相对直接和简单。
案例2:证明两条线段垂直
传统方法:在传统几何中,证明两条线段垂直可能需要使用角度的几何性质,例如勾股定理或直角三角形的性质,当线段复杂时不易操作。
解析几何方法:在解析几何中,我们可以将线段的端点表示为坐标形式,并求出线段所在直线的斜率。如果两条直线的斜率互为负倒数(即一条斜率为 (m),另一条为 (-1/m)),那么这两条直线垂直。这种方法转换为简单的代数计算,易于执行。
案例3:确定与一组点等距离的点的位置
传统方法:在传统几何中,找到与一组点等距离的点可能涉及到复杂的几何构造,并且对于不同的点集可能需要不同的方法。
解析几何方法:在解析几何中,我们可以将点集放入坐标系内,然后利用点到点的距离公式来设置方程组。通过求解这个方程组,我们可以找到满足条件的点。这种方法是统一的,可以用于任何点集,并且易于通过编程实现。
案例4:研究二次曲线的性质
传统方法:在传统几何中,研究二次曲线(如椭圆、双曲线、抛物线)的性质通常是通过几何图形的绘制和分析来完成的,这要求有较高的绘图精度和直观感知力。
解析几何方法:在解析几何中,二次曲线可以直接通过它们的方程来研究。我们可以通过分析方程的系数、使用代数变换等方法来探究曲线的形状、位置、焦点等性质,而无需精确绘制它们。
以上案例说明了解析几何在处理几何问题时相对于传统几何的优势。它提供了一种更为通用和算法化的途径,使得问题的解决更加高效和准确。
思想
欧氏几何没有建立坐标系,点和图形的特点和性质需要通过相互之间的关系来体现,如果图形上没有直接的联系,那么就很难明确地指出它们之间的关系,所以经常需要添加辅助线。
几何的推理性是要弱于代数的推理性的。
几何定理比如:两直线平行,内错角相等,这种找条件得结论的定理。所以在解题的时候,很多时候就在加平行线,如果不加辅助线,那么我们掌握的几何定理将无法使用,从而无法推理前进。
几何推导,是在推导其相互关系,从已知的角到未知的角...通过相互关系的困难在于,如果缺失彼此的相互联系的桥梁,比如缺少了一个角和一根线,那么相互关系就会断层,辅助线的构造就是为了保证推演关系的连续性。
添加辅助线是欧氏几何的特点,解析几何通常不需要。添加辅助线并不是多了条件,而是让原本就存在的“隐藏条件”显现出来。
解析几何通过建立坐标系,把空间内的点坐标化,坐标表达了点的全部信息,那么由点构成的曲线、曲面等图形,它们的信息也都蕴含在相应的方程以及参数里,通过方程和参数之间的关系,就可以找到点(元素)或者图形(集合)之间的关系,所以不太需要添加辅助线。
解析几何是通过先将几何元素和信息映射到坐标系,通过坐标标尺的转换关系与另外的几何元素联系起来。
通过坐标系这个中间件,可以让两个独立的几何元素联系了起来。
解析几何不关注几何元素之间的相互关系,只关心怎么代数化,然后就更加抽象,更加灵活,更加连续的代数处理,最后在转回几何结论。
举例:
如果你要证明两条相隔很远的直线是否平行,
传统方法(非解析几何)必须要做辅助图形,将两个直线连接起来。
而解析几何就很简单了,只需要写出坐标,比较斜率或者作向量外积分即可。
举个最简单的例子:证明平行关系。
欧式几何中,要证明两条直线平行,通常是通过作一条它们的交线,证明同位角相等,或者证明它们都平行于第三条直线,其他证明方法的原理也基本都是这样,如果没有这第三条直线:交线或者平行线,就难以证明它们平行。
解析几何中,只要求出两条直线的方向向量,不需要任何“第三者”的介入,仅仅上比较它们自身的特点,就可以证明它们平行。
(另外,诸如垂直、点到直线的距离、点到平面的距离、平行线间的距离、平行的直线与平面给间的距离、直线之间的夹角等等很多概念,解析几何的定义也远比欧式几何要清楚明确得多。)
总结:
避免两个物体需要各式各样的第三发来证明联系,采用中心化标准去处理。