Проектирование творческих задач для учащихся средней ступени на материале знаменитых задач древности

Проектирование творческих задач для учащихся средней ступени на материале знаменитых задач древности

• Введение

В традиционном обучении математическое творчество учащихся понимается как самостоятельная работа, когда изучаются дополнительные вопросы, углубляются знания по предмету, но эти работы обычно носят реферативный характер. Заметим, что математическая деятельность остается закрытой для школьников, математика предстает для них лишь набором фактов. Чтобы у учащихся складывалось целостное впечатление о математике как о исторически складывающейся науке, они получали представление о работе математика — ученого, нужно проводить дополнительную работу. Поскольку, если рассматривать творчество как процесс движения от возникновения проблемной ситуации (противоречия) до ее разрешения, обнаруживается, что в традиционном школьном обучении такое математическое творчество не представлено, школьники не получают опыта математического исследования.

Однако усвоение модели математической деятельности возможно в форме творческой работы, проведения исследования. Предлагается новая форма изучения исторического материала, а именно, изучения трех знаменитых задач древности: о трисекции угла, о квадратуре круга и об удвоении куба. Эта форма состоит в решении творческой задачи, в некотором смысле воспроизводящем исторический ход решения задач древности. Эти задачи представляют большой интерес для изучения, т.к. имеют очень простые формулировки, но, тем не менее, не могут быть решены при помощи циркуля и линейки без привлечения дополнительных средств. В учебно-исследовательской деятельности опыт ребенка соотносится с работой математика, за счет этого математическая деятельность становится представленной как профессиональная.

Цель дипломной работы: спроектировать творческие задачи на материале знаменитых задач древности, решая который, школьники получили бы исследовательский опыт и представление о работе математика — ученого. Кроме того, попытаться ввести в учебно-исследовательские творческие работы исторический материал, выходящий за рамки школьной программы.

Гипотеза: решение творческой задачи, воспроизводящей исторический ход развития методов, способов и средств ее решения, может организовать эффективное формирование представлений об исследовательской деятельности.

Для достижения цели были выделены следующие основные задачи:

q Провести анализ решений задач, определить, насколько доступен аппарат решения школьникам;

q Разработать общие принципы методики руководства творческой работой;

q Спроектировать творческие задачи по теме «Знаменитые задачи древности»;

q Разработать методику введения в учебное исследование новых средств, аппарата, который не изучается в школе;

q Провести апробацию методики.

Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы (23 наименования) и пяти приложений.

В первой главе приводится общая характеристика задач как развивающихся, их особенности: простые формулировки, но сложный аппарат решения, и неразрешимость задач средствами циркуля и линейки. Описываются способы решения задач, полученные математиками разных веков, способ Архимеда, Гиппиева квадратриса, метод вставок, треугольник Бинга и другие. Выделяется предметный уровень знаний учащихся, который необходим для изучения знаменитых задач древности.

Во второй главе дипломной работы обсуждаются задачи математического образования в подростковой школе и понятие творческой задачи. Задача понимается с точки зрения отношения «задача-решатель», по А. Г. Баллу. Рассматривается исследовательская модель обучения как наиболее соответствующая цели представить учащимся подростковой школы математическую деятельность. Описывается понятие творчества, условия включения школьников в процесс творчества, критерии того, что учащийся решает творческую задачу.

Третья глава полностью посвящена проектированию творческих задач на материале знаменитых задач древности.

Мною была разработана логика постановки творческих задач. Заметим, что она не соответствует той логике, в которой они возникали в истории. Сначала учащимся предлагаются простые частные задачи, с которыми они легко справляются, их решение позволяет учащимся включиться в исследовательскую работу, поставить проблему существования общего решения задачи. При разработке обнаружено, что постановка знаменитых задач древности как творческих очень похожа на постановку учебных задач, отличие в том, что дети не открывают новое средство, а оно вводится с рассказом об авторе. Самостоятельный поиск и построение оригинальных вариантов решений является критерием того, что учащиеся приняли задачу как творческую.

После этого учащимися формулируется гипотеза о необходимости привлечения дополнительных средств, поскольку средствами циркуля и линейки задачу решить не удается. Дополнительные средства вводятся как исторический материал, задача учащихся их проанализировать, развить или обобщить и применить для решения своих задач.

Методика была опробована в рамках одной из форм дополнительного образования в Красноярской университетской гимназии № 1 — Школе молодого ученого (ШМУ) в 2001;2002 учебном году. Было спроектировано занятие ШМУ, индивидуальная работа с учащимися велась в течение года.

В заключении описываются основные результаты работы: разработана методика руководства творческой работой по теме «Знаменитые задачи древности», методика постановки задач и введения новых средств. Творческие работы по теме «Знаменитые задачи древности» написали трое учащихся восьмых классов Турбанов Александр (задача о трисекции угла), Никитин Сергей (задача о квадратуре круга) и Денисов Иван (обобщение способа Архимеда трисекции угла). Защита работ состоялась на школьной конференции.

Указываются возможные направления дальнейших разработок, например проектирование тем творческих работ по доказательству неразрешимости задач древности циркулем и линейкой, внесение исторического контекста.

В приложениях приводятся творческие работы, написанные учащимися, первоначальный проект занятия ШМУ и его анализ, пример попытки трисекции угла циркулем и линейкой.

Глава 1. Три знаменитые геометрические задачи древности

§ 1. Общая характеристика знаменитых задач древности

При изучении окружности древние греки обнаружили задачу, ставшую затем символом неразрешимой проблемы. Это задача квадратуры круга, т. е. построения квадрата, равновеликого данному кругу, с использованием лишь циркуля и линейки. Попытки древнегреческих ученых решить задачу о квадратуре круга путем проведения прямых и окружностей так и не увенчались успехом. Эту задачу не могли решить математики на протяжении более двух тысячелетий. Лишь в 19 веке усилиями нескольких выдающихся математиков — Ламберта, Лиувилля, Эрмита и Вейерштрасса — была установлена неразрешимость этой задачи, невозможность такого построения. Было предложено много приближенных решений. Неразрешимыми оказались и задача трисекции угла — деления данного угла на три равные части с помощью циркуля и линейки, и задача удвоения куба — построения ребра куба, объем которого вдвое больше объема данного куба.

Изыскание все новых и новых способов решения задачи о трисекции угла показало, что эта задача тесно примыкает к задачам алгебры и тригонометрии. Так, еще в XV в. самаркандский ученый ал-Каши применил трисекцию угла к составлению весьма точных тригонометрических таблиц, нужных для вычислительной математики и астрономии. Применяя прием приближенного численного решения кубического уравнения, он по известному значению sin 3° производит вычисление sin 1°. Далее, в XVI в. знаменитый французский математик Ф. Виет на основе трисекции угла находит тригонометрическое решение кубического уравнения в так называемом неприводимом случае.

Весьма оригинальные, но довольно сложные способы решения задачи о трисекции угла дали ученые Декарт, Ньютон, Клеро, Шаль и др. Все эти решения обычно основаны на отыскании точек пересечения конического сечения с окружностью. Попытки найти новые решения задачи о трисекции угла продолжаются и в настоящее время (например, при помощи номографии).

Еще в 1755 г. Парижская академия наук ввиду бесплодности усилий математиков, а еще более нематематиков, пытавшихся решить знаменитые задачи древности, вынесла решение впредь не принимать на рассмотрение работы, касающиеся квадратуры круга, а также трисекции угла и удвоения куба. Это несколько охладило пыл «квадратурщиков».

Знаменитые задачи древности представляют большой интерес для изучения, т.к. имеют очень простые формулировки, но, тем не менее, не могут быть решены при помощи циркуля и линейки без привлечения дополнительных средств.

§ 2. Анализ средств решения знаменитых задач древности

Задача о трисекции угла

Требуется произвольный угол разделить на три равные части.

Деление прямого угла

Пользуясь циркулем и линейкой, древние греки умели делить произвольный угол на две равные части. Со времен Пифагора они умели делить прямой угол на три равные части. Это они выполняли так.

Пусть дан прямой угол АВС и требуется разделить его на три равные части, т. е. произвести трисекцию этого угла. Для этого из вершины данного угла В, как из центра, проводим окружность (для нужного построения достаточно провести четверть окружности). Точки пересечения окружности со сторонами АВ и ВС соответственно обозначим через М и N. Далее из точек М и N тем же радиусом делаем засечки R и Q. Теперь соединим хордами M и R, N и Q. Получаем два равносторонних треугольника? BRM и? BQN. Но в равностороннем треугольнике все три угла по 60о.

Следовательно, LMBR=LQBN=60о. Тогда LMBQ=LRBN=LQBR=30о. Итак, данный прямой угол удалось разделить на 3 равные части.

Возможные построения

Чтобы иметь хотя бы некоторое представление о разрешимости и неразрешимости задач на построение, ограничимся следующим небольшим замечанием. Прежде всего, напомним, что при помощи циркуля и линейки можно сравнительно легко построить выражения:

где a, b, c суть данные или найденные отрезки.

Если решение задачи сводится к последовательному выполнению конечного числа этих операций, то задача оказывается разрешимой при помощи циркуля и линейки. Если же решение задачи не ограничивается последовательным выполнением указанных выше операций в конечном числе, то такую задачу при помощи циркуля и линейки решить невозможно. Задача о трисекции угла и является примером такой задачи, которую нельзя решить, прибегая только к циркулю и линейке, т. е. путем проведения окружностей и прямых линий.

Доказательство неразрешимости

Древнегреческие ученые без особого труда делили произвольный угол на три равные части с помощью разного рода механизмов. Но перед ними всегда стоял вопрос: почему трисекция угла, легко выполнимая при помощи специально изготовленных механизмов, не поддается разрешению при помощи циркуля и линейки. И вообще разрешима ли эта задача в общем виде при помощи таких классических чертежных инструментов?

Чтобы ответить на поставленный вопрос, приведем некоторые рассуждения. Обозначим данный угол, который требуется разделить на три равные части, через 3б. Рассмотрим cos3б. По известным формулам тригонометрии

Умножая левую и правую части полученного равенства на 2, получаем

.

Пусть теперь 2 cos 3б = а и 2cos б = x, тогда

а = x3−3x или х3—Зx— а = 0. (1)

Чтобы доказать, что задача о трисекции угла неразрешима в общем виде при помощи циркуля и линейки, достаточно указать хотя бы один угол, который нельзя разделить при помощи циркуля и линейки. Путем несложных рассуждений покажем, что таким свойством обладает, например, угол в 60°. Действительно, полагая 3 а = 60°, получим cos 3 a = ½, и уравнение (1) примет вид

х3 — Зх — 1 =0. (2)

В алгебре доказывается, что рациональными корнями уравнения (2) могли бы быть +1 и —1, но ни то, ни другое указанному уравнению не удовлетворяет. Выходит, что уравнение (2) не имеет рациональных корней и, следовательно, по теореме неразрешимости (приложение 1) угол в 60° нельзя разделить на три равные части при помощи циркуля и линейки. Заметим, из того, что угол в 60° не может быть разделен на три равные части при помощи циркуля и линейки, вытекает, что угол в 20°, а следовательно, и угол в 40° не могут быть построены с помощью указанных инструментов. Отсюда вытекает важное следствие: правильный девятиугольник, восемнадцатиугольник и т. д. не могут быть построены циркулем и линейкой.

Далее, для, а уравнения (1) можно было бы указать еще бесчисленное множество значений, для которых уравнение (1) неразрешимо в квадратных радикалах, и, следовательно, существует бесчисленное множество углов, трисекция которых не может быть выполнена при помощи циркуля и линейки.

Итак, если пользоваться только циркулем и линейкой, задача о трисекции угла в общем виде неразрешима.

Разрешимость для некоторых углов

Древним ученым, как указывалось выше, была известна трисекция прямого угла при помощи циркуля и линейки. Возможность этой трисекции можно подтвердить и теоретически. Действительно, положив 3 б =90°, получим, что, а = 0, и уравнение (1) примет вид

х3−3х=0. (3)

Уравнение (3) имеет корни О,. Таким образом, ненулевые корни выражены в квадратных радикалах. Следовательно, угол в 90° можно разделить циркулем и линейкой на три равные части.

Рассуждая аналогично, можно было бы показать, что теми же средствами и угол в 45° можно разделить на три равные части. Необходимо добавить, что трисекция при помощи циркуля и линейки возможна для Бесчисленного множества углов, например для углов вида, где п—целое положительное число.

Решение Архимеда

Оригинальное и вместе с тем чрезвычайно простое решение задачи о трисекции угла при помощи циркуля и подвижной линейки с двумя отметками дал Архимед. Как это делается, покажем на конкретном примере. Пусть требуется произвольно взятый острый угол AВС разделить на три равные части. Для этого из вершины данного угла В, как из центра, произвольным радиусом R опишем окружность (рис. 2).

Точки пересечения сторон данного угла с окружностью обозначим через D и Е. Теперь берем подвижную линейку с двумя точечными отметками F и G, причем длина отрезка FG = R, и прикладываем ее к точке Е так, чтобы F и G оказались на одной прямой с точкой Е и чтобы F находилась на окружности, а G — на продолжении стороны ВА. Тогда угол: ЕGD и будет составлять одну треть заданного угла АВС. Докажем это.

Обозначим, для краткости углы на чертеже цифрами 1, 2, 3, 4, 5. Надо доказать, что угол 5 составляет третью часть угла 1, т. е. <5=1/3<1.

Действительно, <1 = <5 + <2 (свойство внешнего угла треугольника), но <3 = <5 + <4 (свойство внешнего угла треугольника). Далее, <5 = <4 (свойство равнобедренного треугольника). Тогда <3 =2<5. Из равнобедренного треугольника ВЕF <3=<2. Учитывая предыдущее равенство, будем иметь

<1=<3+<5=2<5+<5=3<5.

Следовательно, <5=1/3<1, что и требовалось доказать.

Решение при помощи квадратрисы

В середине примерно пятого века до нашей эры Гиппий Элидский открыл новую кривую, которая была построена для деления данного угла на любое количество частей.

Пусть дан острый угол б и требуется разделить его на три равные части.

Сначала построим для некоторого квадрата АВСД квадратрису (рис. 3). Для этого дугу окружности ДВ и сторону АВ данного квадрата делим на 2n равных частей, где n — любое натуральное число. Заметим, что чем больше возьмем n, тем точнее будет построение квадратрисы. Для простоты положим n=4, тогда 2n=8. Делим дугу ДВ и радиус АВ на 8 равных частей. Концы полученных равных частей дуги ДВ обозначим цифрами 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.

Точки деления неподвижного радиуса АВ обозначим через 1', 2', 3', 4', 5', 6', 7'. Теперь точки 1 — 7 соединим прямыми с точкой А, а через точки 1' - 7' проведем прямые, перпендикулярные АВ.

Точки пересечения полученных радиусов с соответствующими прямыми, перпендикулярными АВ, и будут точками квадратрисы. Соединяя эти точки плавной кривой, мы и получаем квадратрису КВ, как непрерывную линию.

Теперь при помощи квадратрисы разделим заданный острый угол б на три равные части. Для этой цели построим угол FAB, равный углу б (рис. 4).

Обозначим точки пересечения прямой AF с квадратрисой KB и окружностью DB соответственно через L1 и L1. Далее из точки L1 на прямую AB опустим перпендикуляр L1P. Затем отрезок PB обычным приемом, показанным на чертеже, разделим на 3 равные части точками Q и R. В точках Q и R к прямой AB восстановим перпендикуляр до пересечения их с квадратрисой KB в точках L2 и L3. Соединяя точки L2 и L3 с точкой A и продолжая прямые AL2 и AL3 до пересечения с окружностью DB, получим точки L2 и L3.

Поскольку дуги L1L2, L2L3 и L3 В равны между собой, то соответственные им центральные углы L1AL2, L2AL3, L3AB также равны между собой и каждый из них равен б/3.

(равным отрезкам неподвижного радиуса АВ при помощи квадратрисы соответствуют и равные дуги окружности ДВ).

Знаменитые геометрические задачи древности — это задачи на построение, следовательно, их можно предлагать только после того, как у детей уже есть опыт построений при помощи циркуля и линейки. Эти построения вводятся в курсе школьной геометрии в седьмом классе.

Для выполнения трисекции прямого угла детям необходимы знания о равносторонних треугольниках, о хордах окружности, дети должны знать, что это такое. Этот материал изучается в седьмом классе.

Для понимания рассуждений о неразрешимости задачи необходимы знания тригонометрических функций sin x, cos x и основных тригонометрических формул. Этот материал изучается в конце девятого класса. Кроме того, должно быть изучено решение рациональных уравнений, это проходят в восьмом классе. Дополнительно нужно привести теорему о неразрешимости.

Теоретическое подтверждение возможности трисекции для некоторых углов может быть предложено учащимся только после изучения тригонометрических выражений и их преобразований в девятом классе. Также необходимы знания иррациональных чисел и решение уравнений. Это изучается в восьмом классе.

Для успешного изучения решения Архимеда учащимся должны быть известны свойства внешних углов и равнобедренных треугольников, которые изучаются в курсе геометрии в седьмом классе. Таким образом, показав ученикам седьмого класса подвижную линейку с двумя отметками при определенных условиях можно рассчитывать, что нужное построение будет выполнено.

Прежде, чем предлагать школьникам решить задачу о трисекции угла при помощи квадратрисы, нужно дополнительно указать детям способ ее построения, ее основные свойства, а при необходимости и вывод формулы квадратрисы. Для построения квадратрисы учащиеся должны уметь делить данный отрезок и дугу на четное число равных частей, опускать перпендикуляр. Такие построения вводятся в седьмом классе. Необходимо выяснить, умеют ли дети делить данный отрезок на три равные части, если нет, то нужно организовать детям это построение.

Задачу о трисекции угла без доказательства неразрешимости можно предлагать детям уже в седьмом классе, все необходимые знания, учитывая данные дополнительно, у них для этого есть. При этом нужно опустить формулировку теоремы неразрешимости. Задачу с доказательством неразрешимости и с теоретическим обоснованием трисекции некоторых углов можно давать только в конце девятого класса.

Задача об удвоении куба

Требуется построить ребро куба, который по объему был бы в два раза больше данного куба.

Происхождение задачи об удвоении куба связано, по-видимому, с желанием древних ученых обобщить легко решаемую задачу об удвоении квадрата, т. е. построении квадрата, который превосходил бы данный по площади в два раза.

Легенда

Трудности, связанные с решением задачи об удвоении куба, дали повод к возникновению легенд о происхождении этой задачи. В качестве примера приводим одну легенду. Она принадлежит Эратосфену (276—194 гг. до н. э.), знаменитому греческому математику, астроному и философу. Вот что он рассказал о причинах, побудивших древних ученых рассматривать задачу об удвоении куба.

Однажды на о. Делосе, что находится в Эгейском море, вспыхнула эпидемия чумы. Жители этого острова обратились за помощью и советом к дельфийскому оракулу, который служил при храме Аполлона в Дельфах (Дельфы—общегреческий религиозный центр в Фокиде, у подножия горы Парнас).

Чтобы прекратить страдания людей, ответил оракул, надо снискать милость богов, а для этого надо удвоить золотой жертвенник Аполлону (богу Солнца), который имел форму куба.

Жители Делоса поспешили отлить из золота два таких жертвенника, какой был установлен в храме Аполлона, и поставили один на другой, думая, что проблема удвоения кубического жертвенника ими решена.

Однако чума не прекращалась. Тогда они опять обратились к оракулу с недоуменным вопросом: «Почему же не прекращается чума, ведь мы удвоили золотой жертвенник всесильному Аполлону?» На это им оракул якобы ответил: «Нет, вы не решили поставленной задачи! Надо было удвоить жертвенник, не изменяя его кубической формы».

Не в состоянии решить эту задачу так, как требовал оракул, делосцы обратились за помощью к математику и философу Платону. Но он уклончиво ответил им: «Боги, вероятно, недовольны вами за то, что вы мало занимаетесь геометрией». Однако сам Платон не сумел решить указанной задачи циркулем и линейкой. С того времени эта задача и стала именоваться «делосской» (иногда ее неправильно называют «делийской»).

Удвоение квадрата

Древние греки сравнительно легко решили задачу об удвоении квадрата. Для этого надо было уметь строить при помощи циркуля и линейки корень квадратный из двух. Действительно, если сторона данного квадрата равняется а, а сторона искомого квадрата х, то, согласно условию задачи, будем иметь, откуда .

Следовательно, в качестве х надо взять диагональ данного квадрата, которая по теореме Пифагора как раз и будет равняться (рис. 5).

Сведение задачи к нахождению

Обобщая задачу об удвоении квадрата, древние греки перешли к рассмотрению задачи об удвоении куба и также стремились решить ее при помощи циркуля и линейки. Оказалось, что решение задачи об удвоении куба сводится к построению циркулем и линейкой корня кубического из двух. Действительно, если ребро данного куба положить равным а, а ребро искомого куба х, то, согласно условию задачи, будем иметь

х3 = 2а3, откуда .

Однако все старания построить циркулем и линейкой не увенчались успехом. И трудно сказать, как долго еще продолжались бы эти попытки, если бы, наконец, в первой половине XIX в. не было доказано, что при помощи только циркуля и линейки построить нельзя.

Доказательство неразрешимости

В современной математике доказано, что кубическое уравнение с рациональными коэффициентами, не имеющее рациональных корней, не может быть разрешимо в квадратных радикалах, т. е. ни один из корней этого уравнения не может быть построен при помощи циркуля и линейки.

Доказательство этой теоремы в приложении 1.

Выше было показано, что задача об удвоении куба сводится к решению кубического уравнения, где, а — ребро данного куба, х — искомое ребро удвоенного куба.

Приняв для простоты длину ребра данного куба за 1, получим уравнение х3 — 2=0. Это уравнение с рациональными коэффициентами, как легко убедиться, не может иметь рациональных корней. Следовательно, по предыдущей теореме задача об удвоении куба не может быть решена при помощи циркуля и линейки.

Первым из ученых, открыто высказавшим мнение о невозможности построения посредством циркуля и линейки отрезка, равного, был французский ученый Р. Декарт. В 1637 г. он высказал предположение, что корень кубический из некубического рационального числа есть вообще иррациональность, не приводящаяся к конечному числу действий извлечения квадратного корня.

Строгое доказательство неразрешимости задачи об удвоении куба при помощи циркуля и линейки было дано французским математиком П. Венцелем в 1837 г.

Вклад в решение Гиппократа Хиосского

Одним из первых древнегреческих геометров, сделавших значительный шаг в решении задачи об удвоении куба путем привлечения к циркулю и линейке дополнительных средств, был Гиппократ Хиосский (V в. до н. э.).

Решение стереометрической задачи, какой является делосская задача об удвоении куба, Гиппократ Хиосский свел к рассмотрению планиметрической задачи, заключающейся в отыскании двух средних, пропорциональных между двумя данными отрезками, из которых второй в два раза больше первого. Т. е. к нахождению таких двух отрезков х и у, которые, будучи «вставлены» между двумя данными, а и 2а, составили бы вместе с ними геометрическую прогрессию: а, х, у, 2а.

Поскольку а, х, у, 2а — геометрическая прогрессия, то

откуда х2 = ау и у2 = 2ах. Следовательно, х4 = a2y2 = 2a3x или х3 = 2а3. Выходит, что х и есть ребро искомого куба, превосходящего по объему данный куб с ребром, а в два раза.

Ясно, что при помощи циркуля и линейки «вставки» х и у найти нельзя, так как обратное приводило бы к построению циркулем и линейкой х =, что, как указывалось выше, выполнить невозможно.

Решение Платона

Оказывается, «вставки» х и у можно найти, если воспользоваться дополнительными средствами в виде специально изготовленных приборов (механизмов). Оригинальные и весьма простые приборы для механического нахождения «вставок» х и у по двум заданным отрезкам, а и 2а предложили Платон и Эратосфен. Прибор Платона состоит из двух обыкновенных прямоугольных плотничьих наугольников, а само построение основано на лемме:

Лемма: Во всякой прямоугольной трапеции с перпендикулярными диагоналями, отрезки диагоналей образуют геометрическую прогрессию:

Доказательство: Пусть АВСД — прямоугольная трапеция, у которой LА=LВ=90о и АС перпендикулярно ВД. В этом случае докажем, что. Из того, что? АВС и? ВАД прямоугольные, а ОВ и ОА соответственно их высоты, вытекает:

(1)

(2).

Из (1) и (2), как следствие, получаем:. Что и требовалось доказать.

Построение «вставок» х и у, нужных для решения задачи об удвоении куба, проводится следующим образом. Берутся две взаимно перпендикулярные прямые т и п, пересекающиеся в точке О (рис. 7).

На прямой т вправо от точки О отложим отрезок ОС = а (а — сторона куба, подлежащего удвоению). На прямой п вниз от точки О отложим отрезок OD = 2а. Теперь возьмем два прямоугольных плотничьих наугольника (на чертеже заштрихованы) и расположим их так (см. рисунок), чтобы сторона первого наугольника проходила через точку С, которая считается данной, а вершина его находилась на прямой п; чтобы сторона второго наугольника проходила через точку D, которая также считается данной, а вершина находилась бы на прямой m; остальные две стороны наугольников должны соприкасаться.

При таком расположении двух наугольников по данным точкам С и D найдем на прямых т и п точки, А и В. Тогда 0 В = х, а О, А = у. По лемме

откуда .

Следовательно, х = 0 В и есть построенное ребро удвоенного куба, что и нужно было сделать.

Решение Эратосфена

Прибор Эратосфена носит название «мезолябий», что в переводе означает «уловитель», т. е. уловитель двух средних величин («вставок»), из которых одна составляет искомую сторону удвоенного куба.

Мезолябий Эратосфена состоит из двух параллельно расположенных реек т и п, расстояние между которыми равняется удвоенной стороне куба, т. е. 2а. К этим рейкам прикреплены три равных прямоугольных треугольника, из которых один, самый левый, смонтирован неподвижно, а другие два могут перемещаться вдоль пазов, устроенных в рейках, причем на верхнюю рейку опираются равные катеты, а на нижнюю — их противоположные вершины (рис. 8).

На катете HD самого правого подвижного треугольника откладываем отрезок DQ = а. Теперь двигаем подвижные треугольники с таким расчетом, чтобы точки пересечения катета одного треугольника с гипотенузой следующего за ним (М и N) расположились бы на одной прямой с Е и Q. Тогда из соответствующих подобных треугольников получаем

.

Обозначая NC через х и MB через у, находим .

Следовательно, х = NC и будет найденной величиной искомого ребра удвоенного куба. Делосская задача решена.

Решение Менехма

1) Решение задачи об удвоении куба с ребром, а сводится к рассмотрению двух парабол:

Решая эти уравнения, как систему относительно x, будем иметь

Получаем 2 вещественных корня. Первый корень не удовлетворяет условию задачи. Следовательно, искомым решением будет второй корень, т. е. ребро удвоенного куба равняется .

Путем построения графиков обеих парабол искомое ребро куба получается, как ненулевая абсцисса точки пересечения парабол:

2) Задача об удвоении куба сводится к решению двух уравнений, из которых одно — уравнение гиперболы, а другое — уравнение параболы

.

Решая совместно относительно х, получим, или. Следовательно,. Путем построения графиков искомое ребро удвоенного куба находится, как абсцисса пересечения гиперболы с параболой:

Задачу об удвоении куба можно предлагать не ранее чем в восьмом классе, т.к. основным в решении является понятие иррационального числа. Кроме того, решение задачи опирается на изучаемые в восьмом классе теорему Пифагора и решение рациональных и иррациональных уравнений. Этот материал занимает прочное место и большой объем в курсе математики в восьмом классе, и дать его детям раньше представляет определенную трудность.

Учащиеся должны знать, что такое иррациональное число, что оно не выражается конечной или бесконечной периодической дробью, уметь извлекать квадратный корень, иметь представления о решении рациональных уравнений, должны знать формулировку теоремы Пифагора, уметь использовать ее.

Из того, что для построения ребра удвоенного куба необходимо построить, следует, что дети должны уметь извлекать корни n-й степени, в частности, корень кубический. Этот материал изучается в девятом классе.

Прежде, чем давать в рассмотрение задачу об удвоении куба, необходимо убедиться, что детям известны возможные построения циркулем и линейкой. Если же этого нет, то нужно обязательно предоставить детям возможность изучить этот материал, самостоятельно или с помощью учителя. Без этого знания учащиеся не смогут понять, почему при помощи циркуля и линейки построить нельзя. А это необходимое условие для дальнейшего продвижения в решении задачи.

Теорема неразрешимости не изучается в курсе школьной математики, поэтому ее формулировку и пояснение ее смысла следует давать детям дополнительно. Это возможно не ранее, чем в девятом классе, так как в теореме идет речь о кубическом уравнении, не имеющем рациональных корней.

Для понимания рассуждений о построении «вставок» требуется знание геометрической прогрессии, пропорций и их свойств. Это также указывает на невозможность изучения задачи до девятого класса, потому что именно в девятом классе проходят геометрическую прогрессию.

О геометрической прогрессии нужно знать: ее определение и следующее свойство — отношение двух, следующих друг за другом, членов геометрической прогрессии постоянно. О пропорции также нужно знать определение и свойство — произведение крайних членов пропорции равно произведению ее средних членов.

Для того, чтобы дети смогли повторить решение Платона, следует показать им прямоугольные плотничьи наугольники, и сформулировать используемую лемму. Доказательство можно предложить провести самостоятельно. Для этого дети должны уметь проводить доказательства, использовать теоретические факты на практике. Данные о прямоугольных треугольниках, высотах, необходимые для доказательства леммы, известны школьникам с седьмого класса.

Для проведения решения задачи об удвоении куба при помощи мезолябия, детям нужно объяснить устройство этого прибора, чтобы детям был понятен смысл проводимых при его помощи рассуждений. Кроме того, в решении используется подобие треугольников, изучаемое в восьмом классе. Детям достаточно знать только определение подобных треугольников, что их стороны пропорциональны.

Решение Менехма требует от школьника знаний о решении систем уравнений, а также иметь представление о графиках парабол и гипербол. Материал о параболе, гиперболе и их графиках идет в курсе школьной математики в восьмом классе, решение систем уравнений — в девятом.

Школьникам нужно знать уравнения параболы и гиперболы, уметь строить их графики, иметь представления о решении систем уравнений аналитическим и графическим способами.

Из этого следует, что задачу об удвоении куба можно предлагать школьникам не ранее, чем в девятом классе.

При условии, что все необходимые сведения об используемых в задаче понятиях будут даны на дополнительных занятиях, можно перенести изучение задачи об удвоении куба в восьмой класс. При этом, для наилучшего понимания доказательства неразрешимости задачи при помощи циркуля и линейки, следует давать эту часть материала в более старших классах, когда все необходимые понятия будут сформированы.

Задача о квадратуре круга

Построить квадрат, площадь которого была бы равновелика площади данного круга.

Доказательство неразрешимости

Во второй половине XIX в. немецкому математику Ф. Линдеману удалось, наконец, доказать, что задача о квадратуре круга неразрешима при помощи указанных средств. Доказательство Линдемана трудное и выходит далеко за пределы школьного курса математики. Оставляя в стороне рассуждения Линдемана, мы ограничимся следующими краткими замечаниями.

Пусть дан круг радиуса R. Требуется построить квадрат, равновеликий этому кругу. Обозначим сторону искомого квадрата через х, тогда.

откуда .

Таким образом, вопрос о построении квадрата, равновеликого данному кругу, сводится к построению произведения данного отрезка R на данное число, причем это построение надо провести при помощи циркуля и линейки, т. е. путем проведения конечного числа окружностей и прямых линий.

При помощи циркуля и линейки можно всегда построить произведение данного отрезка R на рациональное число (целое или дробное), но далеко не всегда можно указанными средствами построить произведение данного отрезка на число иррациональное. Это возможно в некоторых случаях, например, если иррациональное число равняется или; тогда R находится как сторона квадрата, вписанного в круг радиуса R, а R — как сторона правильного двенадцатиугольника, вписанного в круг радиуса R, причем, как известно, правильный двенадцатиугольник в круг можно вписать довольно легко, после того как в круг вписан правильный шестиугольник.

В теории геометрических построений установлено, что данный отрезок R можно умножить при помощи циркуля и линейки на вещественное число лишь только в том случае, если это вещественное число может быть корнем алгебраического уравнения с целыми коэффициентами, разрешимого в квадратных радикалах. Число, которое не может являться корнем никакого алгебраического уравнения с целыми коэффициентами, принято называть трансцендентным числом. Следовательно, при помощи циркуля и линейки нельзя построить произведение данного отрезка R на число трансцендентное.

Таким образом, чтобы доказать неразрешимость задачи о квадратуре круга при помощи циркуля и линейки, необходимо установить невозможность указанными средствами построить произведение данного отрезка R на число, а для этого достаточно показать, — что или число р есть число трансцендентное. Заслуга Ф. Линдемана как раз и заключается в том, что он впервые в мировой науке вполне строго доказал, что р есть число трансцендентное, и тем самым окончательно установил невозможность решения задачи о квадратуре круга с помощью циркуля и линейки. Вот почему Ф. Линдемана называют «победителем числа р».

Решение Бинга

Выше было показано, что задача о квадратуре круга неразрешима при помощи циркуля и линейки, однако она становится, вполне разрешимой, если специально для нее расширить средства построения, если воспользоваться некоторыми специальными кривыми (например, квадратрисой). Средствами циркуля и линейки можно решить задачу о квадратуре круга только приближенно.

Ниже приведем одно из приближенных решений задачи о квадратуре круга, основанное на использовании треугольника Бинга. Этот способ был предложен в 1836 г. русским инженером Бингом и очень удобен для практических целей.

Рассмотрим треугольник АВС (рис. 11), вписанный в круг, квадратура которого находится с таким расчетом, чтобы наибольшая сторона треугольника была диаметром. Обозначим угол CAB через а, а хорду АС через х. Подберем угол, а так, чтобы отрезок х был стороной квадрата, равновеликого данному кругу. Для этой цели воспользуемся соотношением

где R — радиус круга.

Так, как площадь квадрата со стороной х должна быть равновелика площади круга, то будем иметь или 4R2 cos2 a = рR2, откуда cos2 a =р/4, cos a =½ = 0, 886. По таблицам находим a=27°36'.

Итак, проводя в данном круге хорду под углом 27°36' к диаметру, мы сразу получим искомую сторону квадрата, равновеликого данному кругу. Легко догадаться, что рассмотренный треугольник АВС и есть треугольник Бинга.

Решение Динострата при помощи квадратрисы

Пусть ANB — четверть окружности, расположенной в квадранте АОВ, а АМС — квадратриса этого квадранта. Далее Динострат воспользовался соотношением, которое позднее было доказано Паппом Александрийским: АNВ: ОВ = ОВ: ОС, где С — конечная точка квадратрисы.

Поскольку ОА = ОВ = R, то ANB: R = R: OC, или

ANB = R2/OC. Откуда длина окружности радиуса R равняется 4R2/OC. Т.о. длина окружности определена. Чтобы построить квадрат равновеликий кругу, Динострат воспользовался теоремой: площадь круга равна площади треугольника, основание которого равно окружности, а высота — радиусу круга. Уравнение квадратрисы:

.

Для понимания рассуждений о неразрешимости задачи о квадратуре круга школьники должны знать формулу площади круга, изучаемую в девятом классе. Эту формулу вполне возможно объяснить детям на дополнительном занятии раньше. Следующее необходимое знание — это знание об иррациональных числах, изучаемое в восьмом классе. Также нужны дополнительные знания из теории геометрических построений о том, на какое число и при каких условиях можно умножить данный отрезок.

Для возможности построения квадратуры круга при помощи треугольника Бинга обязательно нужно изучение описанной окружности, необходимо знать ее определение и теорему, что около любого треугольника можно описать окружность. Этот материал находится в курсе геометрии восьмого класса. В девятом классе изучается косинус острого угла прямоугольного треугольника, а это также необходимо для решения задачи. Также детям должно быть известно иррациональное число, они должны уметь приближенно вычислять, и пользоваться тригонометрическими таблицами Брадиса. Все это изучается в восьмом классе. Для переноса этой задачи в седьмой класс, необходимо дать детям все эти сведения на дополнительных занятиях.

Необходимым условием изучения решения Динострата является знание специальной кривой квадратрисы и ее свойств, и используемой теоремы. Это нужно дать учащимся на дополнительном занятии. Кроме того, дети должны знать свойства пропорции, изучаемые в седьмом классе, и формулу длины окружности, которую проходят в девятом классе.

Таким образом, задачу о квадратуре круга целесообразнее вводить в изучение в девятом, или в более старших классах. Но с учетом того, что необходимые для изучения задачи сведения можно дать школьникам на дополнительных занятиях, можно перенести задачу о квадратуре круга в седьмой класс.

Глава 2. Творческая задача как форма освоения подростками математической деятельности

§ 1. Задачи математического образования в подростковой школе

Выбранный мной возраст 12 — 14 лет, соответствует, согласно периодизации Л. С. Выготского особому этапу в развитии личности — подростковому периоду. Подростковый возраст обычно характеризуют как переломный, переходный и критический. Л. С. Выготский подчеркивает, что здесь имеет место период разрушения и отмирания старых интересов, и период созревания новой основы, на которой в последствии развиваются новые интересы. Особое внимание уделяется развитию мышления. Подросток овладевает процессом образования понятий, который ведет к высшей форме интеллектуальной деятельности, новым способам поведения.

Учебная деятельность не является ведущей в подростковом возрасте и не определяет развития. Психологи утверждают, что «для подростка… ведущей воспроизводящей деятельностью является общественно-значимая деятельность». Основные интересы подростка лежат либо в «пространстве общения», либо в таких предметах учебного пространства, которые отличаются прагматичностью (обучение езде на машине) или психологичностью (обучение ответственности, «урок разговора по душам»). И, конечно, обучение математике не лежит в области запросов подростков, а сама математика не рассматривается ими как значимая деятельность. Анализ областей интересов, предложенных самими подростками, позволяет предположить, что интересными и значимыми для них являются такие формы взрослых деятельностей, которые в современной социокультурной ситуации естественным образом представлены как взрослые. По отношению к ним можно построить образование как удовлетворение запросов подростка.

Однако, математическая деятельность относится к тем профессиональным деятельностям, которые требуют специальной работы взрослого по их представленности.

Позитивное здесь — готовность подростка к тем видам учебной деятельности, которые делают его более взрослым в его собственных глазах. Такая готовность может быть одним из мотивов учения. Одной из возрастных особенностей учащихся является утрата интереса подростка к классно-урочной форме работы и освоенным учебным отношениям. Для подростков становятся привлекательными самостоятельные формы занятий. Подростку это импонирует, и он легче осваивает новые способы действия, когда учитель лишь помогает ему.

Учебная деятельность может перейти в новую форму — учебно-исследовательскую деятельность. Ей нужно придать форму проекта, сделать ее социальной, значимой для подростка. Усвоение модели математической деятельности возможно в форме творческой работы, проведения исследования.

Рассмотрим исследовательскую модель обучения, описанную М. В. Клариным. Учебно-исследовательский процесс должен моделировать процесс научного исследования, поиска новых знаний. Учащийся ставится в ситуацию, когда он сам овладевает понятиями и подходом к решению проблем в процессе познания, в большей или меньшей степени организованного (направляемого) учителем. В наиболее полном, развернутом виде учебно-исследовательская деятельность предполагает, что учащийся выделяет и ставит проблему, которую необходимо разрешить; предлагает возможные решения; исходя из данных делает выводы в соответствии с результатами проверки; применяет выводы к новым данным; делает обобщения.

Исследовательская модель направлена на освоение опыта систематического исследования. В конечном итоге, после выдвижения, разработки и проверки гипотез, проводится анализ исследования. В целом модель включает следующие шаги-этапы.

1. Столкновение с проблемой, учащийся вводится в ситуацию познавательного конфликта.

2. Сбор данных — «верификация» (подтверждение фактических сведений). Учащийся проводит поиск достоверных сведений об объектах и явлениях. Важная задача учителя — расширить поле познавательного поиска, объем и характер доступных детям сведений. Типы этих сведений могут впоследствии стать предметом анализа. К их числу относятся следующие:

— характеристики объектов;

— явления;

— условия, т. е. характеристики состояния объектов;

— свойства, т. е. сведения о поведении объектов в различных условиях.

3. Сбор данных — экспериментирование. Учащийся выделяет изучаемые факторы (исследуемые переменные), выдвигает гипотезы, проверяет причинно-следственные связи. Экспериментирование включает две основные стороны: изучение и непосредственную проверку. Изучение объектов может происходить через изменение условий и наблюдение; оно не обязательно предполагает наличие каких-либо исходных предположений, но может дать почве для того, чтобы строить их. Вопросы, моделирующие эксперимент, дают возможность проверить предположение; их постановка требует опыта; и задача учителя — помочь детям освоить такой опыт. В частности, учитель помогает ученикам не торопиться слишком рано отбрасывать недостаточно проверенные предположения (независимо от того, «верны» они или нет).

4. Построение объяснения и доказательства.

5. Анализ хода исследования. Учащийся возвращается к проведенному исследованию, анализирует его ход. Учитель ориентирует на выяснение того, какие вопросы были наиболее эффективными для поиска информации, построения гипотезы, проверки объяснения и доказательства.

Итак, в модели обучения исследованию формируются исследовательские навыки, опыт исследования как метод и существо научного познания, обучение служит не усвоению знаний как обобщений, но освоению самого процесса, в котором создаются и проверяются эти обобщения.

Таким образом, учащийся получает представление о деятельности математиков как исследователей, ученых. Решается проблема представленности математической деятельности как взрослой профессиональной деятельности.

Для проведения исследования и написания творческой работы учащимся 7 — 9 классов предлагается тема «Знаменитые задачи древности». Анализ способов и средств решений задач показал, что их можно предлагать детям как темы творческих работ, начиная с седьмого класса, с возможностью их дальнейшего исследования и доказательства неразрешимости в более старших классах.

В результате — раннее начало работы с историческим материалом, учащиеся осваивают новый метод работы с ним. Самостоятельное решение знаменитых задач древности соответствует исторической линии развития этих задач: восхождение от методов древности к современным математическим теориям. Такой способ введения исторического материала — воспроизведение исторического хода решения задач древности — кажется продуктивным, поскольку он обеспечивает включенность детей в математическое творчество и повышение интереса к истории математики, формирует представление о развитии и значении математики как предмета в целом.

Исторически значимый материал более интересен для подростков, они с большим желанием занимаются им и отдают ему предпочтение перед другим, не имеющим исторической значимости. Это отвечает критериям значимости учебных проблем, выделенных М. В. Клариным.

§ 2. Понятие творческой задачи

Математическое творчество не является атрибутом традиционного школьного обучения (по крайней мере, на рассматриваемом нами возрастном этапе 6 — 9 классах). Однако детское математическое творчество возможно инициировать, «запустить» возможно при определенных условиях организацией учебного процесса. Инициация такого рода детской активности, способствующей личностному росту ученика, развитию его мыслительных способностей, способностей к самостоятельной деятельности и планированию является особенно важной при обучении подростков.

Прежде всего, конкретизируем понятие задачи, для этого применим систему понятий, введенную Баллом для задания общей рамки подхода к пониманию задач. Г. А. Балл определяет задачу (или он называет её ещё задачной системой), как систему, обязательными компонентами которой являются:

предмет задачи (всякий предмет (материальный или идеальный), для которого не совпадают в исходное требуемое состояние) находящийся в исходном состоянии или исходный предмет;

б) модель требуемого состояния или требования задачи.

Заметим, что обязательные компоненты задачи не исключают наличия в её составе других компонентов.

Решение задачи в рамках «задачного подхода» (термин Г. А. Балла) определяется как «воздействие на предмет задачи обуславливающее её переход из исходного состояния в требуемое» ([4], с.34). «Воздействующей» на предмет задачи силой является «решатель». В качестве решателей могут выступать животные, люди, коллективы людей, технические устройства, то есть решатель, согласно Баллу, может быть охарактеризован как совокупность средств решения задачи, находящихся в его распоряжении. Кроме того, Г. А. Балл вводит понятие «идеализированный решатель», как систему четко охарактеризованных средств решения задачи, отличая его от «реального решателя».

Согласно этому, задачи, рассматриваемые безотносительно к решателю называются несоотнесенными, а задачи, рассматриваемые по отношению к решателю — отнесенные (к идеализированному решателю в системе преметно-логических средств решения задачи и к решателю с определенными характеристиками — способами решения задач). Таким образом, творческая задача, рассматриваемая нами, является по Баллу отнесенной задачей, так как она всегда удерживает отношение «решатель-задача».

Опишем понятие творчества, чтобы отличить его от хорошо поставленных в школьной практике видов самостоятельной учебной работы учащихся (реферирования литературы, самостоятельного углубленного изучения темы и т. д.), а также от различных форм соревновательности (решения задач на соображение, участия в математических олимпиадах).

Мы будем рассматривать творчество, как его описывает А. Т. Шумилин [23], как вид деятельности, качественно отличный от других видов деятельности (в том числе и от учебной). Творчество — сложная многоэтапная деятельность. Структура творческого процесса отражает логику (необходимость) движения творчества, логику перехода от одного этапа к другому. В структуре творчества проявляется его сущность и многие закономерности его динамики. Раскрытие структуры творчества имеет большое значение для понимания сущности творчества, его законов. В определении структуры творчества А. Т. Шумилин исходит из того, какие задачи решаются на каждом этапе творчества, выделяет основные этапы движения творчества — от возникновения проблемной ситуации (противоречия) до ее разрешения. Можно выделить четыре основных этапа творчества.

Первый этап — осознание, постановка, формулирование проблемы.

Второй этап — нахождение принципа решения проблемы, нестандартной задачи (решающая гипотеза, идея изобретения, замысел).

Третий этап — обоснование и развитие найденного принципа, теоретическая разработка, конкретизация и доказательство гипотезы (научное творчество). К этому же этапу относится и разработка плана экспериментальной проверки гипотезы, реализации замысла, идеи и т. д.