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數學摺紙計畫:30個課程活動探索

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活動1 在正方形紙中摺正三角形
FOLDING EQUILATERAL TRIANGLES IN A SQUARE

適用課程:微積分先修(precalculus)、初等代數、三角函數、幾何學、微積分(最佳化)、數學建模。

摘要

請學生想辦法,用一張正方形紙,摺出一個正三角形。這個挑戰就是在一個正方形裡面找出最大可能的正三角形。當然,學生需要證明自己所推測的三角形是最大的。

內容

此問題的幾何學部份,只需要能夠運用30−60−90度的三角形。然而,若有更多創造性的幾何學見解,可產生更非凡的解決方案。

對於微積分課堂,此問題的提出事實上不需要提到摺紙:請找出正方形中內接最大的正三角形。但是知道的人事實上運用這種知識摺紙的時候,可激發產生額外的動機。這是一個具有挑戰性的數學建模問題,可以完全達成,不需要借助其他工具,也無須小心協助學生建立模型,更不必確實了解三角函數並進行正確的圖形分析。由於是一個最佳化問題,脫離了微積分教科書中經常會遇到的模式限制,從而可使學生將自己的知識應用於全新而實際的情況。

講義

三種講義以供選擇:

1.介紹用正方形紙,摺正三角形的一般問題。

2.在建立最佳化模型時,提供數個指導步驟。

3.引導學生逐步完成最佳化模型。

時間規劃

講義1需要大約40分鐘的上課時間,包括讓學生探索與像其他同學呈現自己摺三角形的方法。

講義2或3,如果要在課堂上完成,可能共需50−60分鐘,取決於學生建立數學模型的速度快慢。

講義1−1
如何摺一個正三角形

活動的目標是要用一張正方形紙,摺一個正三角形。

問題1:首先用紙摺一個30−60−90度三角形。提示:摺出的斜邊要是其他任一邊的兩倍。
努力摺,別放棄!將你成功的方法寫在下面空白處。

問題2:現在,用你在問題1所寫的解答,在正方形紙裡摺出一個正三角形。

延伸:假設正方形紙的原始邊長為1,那麼你所摺的正三角形邊長是多少?正三角形邊長可以摺得更長嗎?講義1−2

如何找到正方形中內接最大的正三角形?之一

如果我們想要把一張正方形紙,摺成一個正三角形,就是要摺出一個盡可能最大的三角形。在這個活動中,教師的任務是建立一個數學模型,以找出可以放在這個正方形裡面的最大面積正三角形。按照以下步驟,幫助建立模型。

問題1:如果這個三角形是最大的,那麼我們是否可假設三角形其中一角,會與正方形一角重合?為什麼?

問題2:假設問題1為真,繪製你的與正方形一角重合的三角形,「重合的角」請畫在左下方。現在你需要導入一些變數(variable)來建立模型,這些變數可能是什麼? (提示:其中一個變數是正方形與三角形的左下角,稱為θ。)

問題3:另一個變數將是你的參數(parameter),此參數會隨著得到三角形的最大面積而變。選擇一個變數(聰明的選,選的不好可能會使問題變得更困難),然後再根據你的變數,為三角形面積成立一個數學式。

問題4:用你所成立的數學式,利用你所知道的技巧,找出變數的值,這個變數可使正三角形具有最大面積。務必注意參數的合理區間。

問題5:你的答案是什麼?具有最大面積的三角形是什麼?找一種摺紙方法,可以摺出這種三角形。

延伸:你在問題5的答案,也可以用來在一張正方形紙中摺出一個最大的正六邊形(regular hexagon)。你知道該怎樣作嗎?

講義1−3

如何找到正方形中內接最大的正三角形?之二

在這個活動中,你的任務是找出邊長為1正方形中的最大正三角形。(註:正三角形為三邊長相等且三角皆為60度的三角形。)一步步進行程序,將幫助你發現這個問題的數學模型,接著再解決最佳化(optimization)問題:尋找三角形位置和最大面積。

這裡有一些隨機的例子:

問題1:如果這個三角形是最大的,那麼我們可以假設三角形其中一角,會與正方形一角重合?為什麼?(提示:答案為正確,請解釋為什麼。)

問題2:假設問題1為真,繪製你的與正方形一角重合的三角形,「重合的角」請畫在左下方。(提示:請參閱上方四個例子。)現在你需要導入一些變數來建立模型,這些變數可能是什麼?(提示:設θ為正方形與三角形的左下角,設三角形的邊長為x。)問題3:以一個變數x,找出三角形面積的式子。接著,找出一個式子與x、θ兩變數相關的式子。最後將這兩個式子合併,得到只有一個變數θ的三角形面積式子。(提示:最後求得的式子為A = )

問題4:你的變數θ範圍?說明之。(提示:範圍是0◦≤θ≤15◦)

問題5:最重要的部分:用你的式子和求得的θ範圍,使用最佳化技術來求出正三角形面積最大值的θ值。同時,也求出最大面積值。(提示:為了簡化,你可用sin和cos來表示所有三角函數)。

解答與教學法

摺一個正三角形

有幾種方法可以在正方形裡面摺出正三角形,所有方法都與摺出一個60度角有關。你的學生可能會發現有創造性的新方法,但一般最常見的方式如下所示。 (我們在這些圖中,原始正方形的邊長為1。)

在此,摺紙的「動作」是將紙的一角A,摺到紙中線(所以紙必須先對摺),同時還要確定摺痕通過角B。(*1)A點與中線重疊的位置,產生一個P點,所以產生了一個ABP的正三角形。有幾種方法可以看到了許多不同的方式:

•設C為AB中點。先看△BCP,BP長度為1(因在P點AB與BP完全重合),且BC長度為1/2。根據畢式定理,CP長度為 ,故△BCP是30−60−90度三角形。因此連結AP,得到一個正三角形。

•由於摺疊AB與BP完全重合,BP長度為1。我們可以說「現在以同樣的方式,將B點也摺到紙中線」,或說「由於對稱」,所以求得AP長度也為1。因此,△ABP是一個正三角形。

在此所呈現的解答,這個三角形的邊長與正方形相等。但是,如果我們想像一下,將三角形A點逆時針旋轉一點點,可使邊長變大一點點,但仍在正方形內,所以在正方形裡是可能作一個更大的正三角形。

教學法:許多學生首先會嘗試在正方形右下方的角,開始建構一個30−60−90度三角形。這樣作並不簡單,因此可建議這些學生試著在正方形裡面摺三角形,以跨越這層心理障礙。亦可建議學生將紙對摺,利用紙的1/2中心線。

註1:這是一個標準摺紙動作:點p1摺疊到線l上,但這樣摺還不足以確認摺痕位置。所以需要第二個點p2,我們使摺線確實通過p2,加上點p1在線l上。進一步訊息請參見拋物線摺紙活動。學生經常會聽班上其他組的想法,或是有些人想出的好主意一組傳一組,這樣還不錯,但每個學生都應該寫出證明,證實自己的三角形真的是30−60−90度三角形或正三角形。小組也應該向班上同學展示各組證明,以便每個學生都可以看見完成的方式不只一種。也可以將正式的書面證明指定為每個學生的家庭作業。(經過小組討論,家庭作業應該不難,但「正式的」寫作呈現,仍是一個非常有價值的活動。)

找出最大三角形

這份講義有兩個版本:一個只對問題提供框架,將所有細節留給學生處理。另一個則是帶著學生一步步走過問題。解答基本上是一樣的,一併呈現於此。

講義中的第一個問題,答案「是的」。若三角形的一角沒有在正方形的角上,則三角形不能接觸正方形的一邊(因為三角形有三個角,正方形有四個邊側)。假設這是左邊,為了要使三角形最大,三角形的三個角一定要接觸正方形的三個邊。接著,我們可向左拉動三角形,讓角碰到正方形的左邊,頂部或底部都可以,使三角形的一角在正方形的一角上。

為建立模型,學生會需要一張像上面的圖,三角形底部(長x)應由正方形左下角開始,延伸到正方形的右邊。接著,我們需要考慮θ範圍,0◦≤θ≤15◦。因為,若θ> 15◦,則α≤15◦;若θ≥15◦,則相對來說α<15>
我們可以把導出的數學式,利用微積分最大化,但並非必要。由於cosθ在0≤θ≤π/ 12之間是遞減函數(其實應該要用弧度),我們知道secθ在這個區間為遞增函數。sec2θ也一樣,所以A的最大值會落在這個區間的最右端,即θ=π/ 12。繪製函數A(θ)的圖,學生可以看見這種情形:

因此,在θ=π/ 12 = 15◦的位置,會得到最大面積。結果使得三角形的一個角落在正方形的一個角上,並且三角形會對稱於正方形的對角線。

使用這個導函數求解,學生會得到:因0≤θ≤15◦,我們知道只有在θ= 0時,dA /dθ= 0,表示面積式在θ= 0位置有一個臨界點,但這只是我們區間的一個端點,代表面積A的極值會發生在端點θ= 0和θ= 15◦(因為中間沒有重要的點)。因此問題變成哪個點會有最大值,哪個點會有最小值?我們可以用面積A的二階導函數來確定點θ= 0的凹性,但用這樣的導函數好像已經預先知道什麼一樣,因此我們不用導函數,而直接驗證當θ= 0和θ= 15◦時的A值,15度獲勝。

兩個版本講義都作的學生,應該能夠發現最大正三角形具有一種摺紙順序。下面的圖即顯示這個摺紙順序,作用等同於「無字證明」的圖解。(首先注意最左邊的圖,θ= 15◦)此摺紙順序證明,是由Emily Gingras所開發(Merrimack College class of 2002)。

教學法:熟悉經典「沿牧場一邊圍籬笆」或「紙板摺盒子」等微積分題目的學生,應可立即發現最大正三角問題可用類似方法求解。然而,我們問題的模型與這些經典微積分題非常不同,大多數學生發現建立適當模型頗具挑戰性。背後困難的部分,是要確定你可以用一個代表三角形在正方形中位置的變數,使問題參數化,而最好的方法似乎是用角度,因此你必須用角度來導出三角形面積的數學式。無論如何,此問題對於學習微積分最佳化問題的學生來說,屬於適當的程度,應該有能力求解。但此活動價值在於磨練學生的數學建模技巧,故教師除了講義中的提示,不應再給予學生其他提示,同時應鼓勵學生探索他們所選擇的路徑,提出正確的證明,無論是數字、圖形或解析法都可以。

然而,並非所有教師都想要公開活動的內容細節,因此最佳化講義的第二個版本,是為那些希望學生對於此類問題能夠自行發現適當的程序,依序求解的教師。第二版講義的格式和步驟順序,是由測試人員Katarzyna Potocka所進行(Ramapo College of New Jersey)。

在幾何學課程,進行這個活動也很有價值,可強化數學規則之間的關聯性。通常數學本科生在高級幾何學課程中,會宣稱已經忘記所有微積分,因此這麼做更有價值。延伸活動

如下圖所示,在正方形中如何找到一個最大的內接正六邊形,先將正方形水平和垂直對摺,產生摺痕,可看見四分之一的正方形,上面的摺痕展開圖正好就是最大正三角形。因此,在正方形中摺一個最大正角形,這個方法剛好可以調整摺出一個最大正六邊形。最右邊的圖即為摺法的簡圖。

當然,問題可改為在正方形中摺出任何正多邊形,雖然證明最大面積會使問題變得更複雜,但並沒有超越本科生程度,是很好的活動延伸。下圖顯示一種證明最大六邊形的方法。設θ為正六邊形與正方形底邊(邊長亦為1)的夾角,x為正六邊形邊長。正六邊形由六個正三角形組成,所以計算正六邊形的面積不難:A = 6×(一個正三角形面積)= 6(x / 2)(√3/2)x =(3√3/2)x2。但是我們希望利用改變θ使正六邊形面積最大化。

圖(b)顯示解法。六邊形的直徑為2x,假設六邊形的兩個對角會接觸正方形的左右邊,此二角與正方形會形成一個直角三角形(如圖中),已知正方形邊長為1,直角三角形斜邊即為六邊形對角線(長度為2x)。此直角三角形的底邊,平行於正方形的底邊,而斜邊則平行於六邊形的底邊,因此我們知道這個直角三角形的底角為θ。由於cosθ= 1/2x,或x =(1/2)secθ,因此六邊形面積為A =(3√3/8)sec2θ。

為使六邊形面積最大化,我們需要找出θ的範圍。由於正六邊形的對稱性,告訴我們0◦≤θ≤15◦,我們只需要考慮這個範圍。如前面的內接正三角形,區間最大端點θ= 15◦,會有最大面積。這將使得六邊形的一個對角線,與正方形的一個對角線重疊。
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