我國著名數學傢蘇步青教授有一次在德國訪問期間,一位有名的德國數學傢在電車上給他出瞭一道題,這道題我國小學生們一定都很熟悉:

甲乙兩人相向而行,距離為50 rm km.甲每小時走6rm km,乙每小時走4rm km,甲帶一隻小狗,小狗同甲一起出發,每小時能跑10rm km,當小狗碰到乙後又以同樣速度往甲方向跑,如此不停地往返於倆人之間,這樣繼續下去,直到甲乙兩人相遇時,小狗一共跑瞭多少千米?

你想到怎麼做瞭嗎?

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一拿到這題,肯定不少小夥伴就開始拿起筆開始邊畫邊分析起來瞭“小狗第一次遇到乙時跑瞭多少,然後回到甲又跑瞭多少,巴拉巴拉”,然而再算下去可能就想要放棄瞭,太麻煩瞭,這要算到何年何月?

一拿到題目就開始寫是一個不好的習慣,有時甚至連題目都還沒讀完,這樣難免會陷入盲人摸象的窘境,“不識廬山真面目”.

如果我們能夠從整體出發來分析這道題的話,那就柳暗花明瞭:這題要求的是小狗的路程,很顯然,小狗的速度是恒定的,所以隻需知道小狗跑的時間即可.那小狗跑瞭多久呢?正好是甲乙倆人相遇的時間,即50 div (6 + 4) = 5(rm h),所以小狗路程為5 times 10 = 50(rm km),問題至此就解決瞭,通過運用整體的思想,我們便“不畏浮雲遮望眼”瞭.

相傳偉大的數學傢、現代計算機之父馮cdot諾依曼也曾經碰到別人問過他這個問題.馮cdot諾依曼也是瞬間給出瞭答案,提問的人很失望,說你以前一定聽說過這個訣竅吧,他指的是上面的這個做法.馮諾依曼說:“什麼訣竅?我所做的就是把狗每次跑得都算出來,然後算出那個無窮級數.”(中學在讀的小夥伴們可以自動忽視“無窮級數”一詞.)

馮大佬的回答有沒有讓你想起上一專題《方程思想》的第三重境界?要不說人傢是計算機之父呢!膜拜膜拜~

(馮cdot諾依曼)


整體思想

所謂整體思想就是從整體上去認識問題、思考問題,突出對問題整體結構的分析,發現問題整體結構的特征,從聚合的視角看問題,將問題中的式子、圖形通過其彼此之間的統籌起來作為整體來理解,常常能化繁為簡、變難為易.

整體思想的主要表現形式有:整體思考、整體加減、整體代換、整體構造等.在數學中的數與式、方程與不等式、函數與圖象、幾何與圖形等方面,整體思想都有很好的應用.

波利亞曾寫道:

整體思考

整體思考就是跳過問題細節,從整體上去認識問題,分析問題,常常可以使問題變得簡單.

【例1】 狗蛋在如圖所示的1rm m寬的小路上行走,當他從A處走到B處時,共走瞭多少米?

分析:此問題如果將其分割成每一個小段的長方形去求解,問題會變得非常復雜,而整體上去思考的話,我們嘗試把狗蛋走過的路拉直成如下圖的寬為1m一條直線,顯然長l即為狗蛋走過的路程.

由面積的不變性,l = 16 times 8 = 128(rm m).

練習1. 從A地到B地,前一段是上坡路,後一段是下坡路,某郵遞員騎自行車從A地到B地需要3小時,從B返回A地需要2小時.已知A地到B地總路程是36rm km,郵遞員騎車上坡的速度比下坡的速度慢6rm km/h,求從A到B的上坡和下坡的速度分別是多少.

(提示:整體考慮,完整的一個來回中,上坡、下坡路程均為36rm km.)

整體加減

對多個對象求和差運算時,有時單個對象難以求出或無法求出時,這時通過整體變換,使它們可以合並起來,進行整體加減,可以使問題簡單化.

【例2】某小區規劃在一個長40米,寬24米的矩形場地上修建三條同樣寬2米的通道,使其中兩條與長平行,另一條與寬平行,其餘部分種草,求草坪總面積.

分析:草坪沒有平均分,因此無法求出各個分割後的小草坪的面積再求和,需整體考慮,通過將通道平移的方式,將各個草坪聚集為一個矩形,然後求解,即left( {40 – 2} right) times left( {24 – 4} right) = 760(rm {m^2}).

練習2. 有一長80米,寬60米的廣場,按圖中位置修築一條路寬度均勻的折線形觀光小路,要使其餘空地面積為4620平方米,求路寬是多少米?

整體代換

在代數式求值問題中,如果式子比較復雜,可以觀察式子的特點,將復雜式子的相同的部分看作一個整體,用一個字母進行替代,然後通過運算,獲得這個整體的值,再將原代數式通過變換變成包含這個整體的式子,從而解出原代數式.

【例3】求值

left( {frac{1}{2} + frac{1}{3} + cdots frac{1}{{2020}}} right)left( {1 + frac{1}{2} + cdots frac{1}{{2019}}} right) – left( {1 + frac{1}{2} +cdots frac{1}{{2020}}} right)left( {frac{1}{2} + frac{1}{3}+ cdots frac{1}{{2019}}} right)

分析:直接計算的話計算量非常大且項數多,觀察式子,可以將相同的式子作為整體來考慮,通過換元法,將形式化簡.設frac{1}{2} + frac{1}{3} + cdots + frac{1}{{2020}} = xfrac{1}{2} + frac{1}{3} + cdots + frac{1}{{2019}} = y,則原式 = xleft( {1 + y} right) – left( {1 + x} right)y = x – y = frac{1}{{2020}}

練習3. (2020貴州遵義)已知x_1,x_2是方程x^2-3x+2=0的兩根,則x_1^2+x_2^2的值為_______

整體構造

在幾何添加輔助線時,要從整體角度考慮去添加,通過輔助線對問題中圖形進行補全,使之成為一個熟悉的基本圖形或基本模型(如等腰三角形、拉手模型等),從而發現隱含信息,並使本不相關的一些信息可以集中在一起.

【例4】AO∠BAC的平分線,BD⊥AO,交AO的延長線於點D,EBC中點.求證:DE = frac{1}{2}left( {AB – AC} right).

分析:由角平分線和垂直,因聯想到等腰三角形,因此可以通過補形來達到目的. 延長AC,BD,交於點F.去證AB = AF,再由DE為△BCF中位線,得DE = frac{1}{2}CF = frac{1}{2}left( {AF – AC} right) = frac{1}{2}left( {AB – AC} right).

練習4. 如圖,已知AD為圓O直徑,AB=BC,連接AC,BD,求證:ADcdot AC=2BDcdot AB.

寫在最後

2020年新冠疫情突襲,最先遇敵“閉卷考試”的我國付出瞭巨大的代價,用三個月實現決定性“突圍”並成功穩住瞭戰果;然而時間窗口充裕,各方面資源條件也更具優勢的發達國傢卻一個個在“開卷考試”中焦頭爛額.我想,造成這巨大反差的,就是整體考慮與各自為政的區別.我們“抗疫一盤棋,上下一條心”,而西方則更多的是“個人主義,自私自利”(英學者馬丁cdot 雅克).以整體思想為指導,統籌每個個體協調合作,才是解決難題的方式.

向每一位在抗疫中付出的人致敬!

【參考文獻】

陳永明.講評數學題[M].上海科技教育出版社.2013.

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