Метод координат в пространстве. Метод координат в школьном курсе геометрии Этап. изучение новой темы

Международный Университет природы, общества и человека «Дубна»

Проект программы по курсу

Разработка уроков по теме:

«Расстояние от точки до прямой»

«Расстояние между параллельными прямыми»

Дмитров, 2013 год

1. Введение…………………………………………………………………………………......…3

2. Проект программы по курсу

«Метод координат и основы аналитической геометрии на плоскости» ……………………………………………………………………………….......4

3. Разработка уроков:

Урок-лекция «Расстояние от точки до прямой»…………………….…...8

Урок-лекция «Расстояние между параллельными прямыми»…..17

4. Заключение……………………………………………………………………………………..23

5. Список литературы…………………………………………………………………………23

6. Приложения…………………………………………………………………………………….24

1.ВВЕДЕНИЕ

Стратегия развития современного общества на основе знаний и высокоэффективных технологий объективно требует внесения значительных корректив в педагогическую теорию и практику, активизации поиска новых моделей образования.

Изучение геометрии на ступени основного общего образования направлено на достижение следующих целей:

- овладение системой знаний и умений , необходимых для применения в практической деятельности, изучения смежных дисциплин, продолжения образования;

- интеллектуальное развитие , формирование качеств личности, необходимых человеку для полноценной жизни в современном обществе, свойственных математической деятельности: ясности и точности мысли, критичности мышления, интуиции, логического мышления, элементов алгоритмической культуры, пространственных представлений, способности к преодолению трудностей;

- формирование представлений об идеях и методах математики как универсального языка науки и техники, средства моделирования явлений и процессов;

- воспитание культуры личности, отношения к математике как к части общечеловеческой культуры, играющей особую роль в общественном развитии.

В данном проекте изучение основ аналитической геометрии начинается с 7 класса , что позволит учащимся подойти к решению стереометрических задач с использованием метода координат на более осознанном и качественном уровне.

2.ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Проект программы по курсу

«Метод координат и основы аналитической геометрии на плоскости»

для учащихся 7-8 классов основной школы

(Международный Университет природы, общества и человека «Дубна»)

и слушатели курсов ПК Международного университета «Дубна

1. Идея курса, цели и задачи –

Актуальность данной темы обусловлена тем, что используемые в основной школе содержание и методы преподавания математики в некоторой части не соответствуют современным потребностям подготовки специалистов в технических направлениях.

Цель : Приблизить содержание и методы преподавания математики в основной школе к современным потребностям технологического общества.

Задачи :

1. Проанализировать потребности современного технологического общества и сопоставить аппарат математики, используемый при решении прикладных задач с содержанием математики в основной школе.

2. Создание проекта программы по курсу «Метод координат и основы аналитической геометрии на плоскости»

3. Разработка уроков по теме «Расстояние от точки до прямой», «Расстояние между параллельными прямыми» р аздела «Взаимное расположение объектов на плоскости»

2. Место в программе общеобразовательной школы – 7-9 класс. Объем – 1 урок в неделю, параллельно с основным курсом традиционной геометрии, преподаваемой, например, по учебнику Атанасяна (с соавторами). Общий объём – 70 часов, что составляет 1/3 от общего объема курса по геометрии для 7-9 класса. Рекомендуемые сроки прохождения курса: начало – второе полугодие 7-го класса, окончание – 1-е полугодие 9-го класса. Однако в зависимости от конкретных условий освоения программы в каждой конкретной школе (учебные планы, рабочие программы, базовые учебники, наличие дополнительных часов в учебной сетке на геометрию) возможны другие сроки её освоения. Например, при наличии дополнительных часов срок освоения может быть сокращен за счет увеличения числа часов в неделю

3. Основные разделы и содержание.

Раздел		Часы
Второе полугодие 7 класса
1. Введение	Примеры задач и приложений.	1
2. Вектора на плоскости	Понятие вектора. Равенство векторов. Основные свойства и операции над векторами (сложение и вычитание векторов, умножение на число). Нулевой вектор. Вектора и геометрические фигуры. *Самостоятельная работа.*	4
3. Метод координат	Декартова прямоугольная система координат. Задание точек. Расстояние между точками (теорема Пифагора). Алгебраическое описание вектора. Операции над векторами, заданными в алгебраической форме. Алгебраическое описание многоугольников. *Самостоятельная работа.*	5
4. Скалярное произведение векторов	Угол между векторами. Проекция вектора на вектор. Скалярное произведение (аксиомы). Алгебраическое правило вычисления скалярного произведения. Определение косинуса и синуса угла на круге. Синус и косинусы простейших углов. Косинус угла между векторами и скалярное произведение векторов. Алгебраическое определение вида треугольника. *Контрольная работа.*	8
Первое полугодие 8 класса		17
5. Уравнение прямой на плоскости	Параметрическое уравнение прямой (два способа задания). Деление отрезка в заданном отношении. Описание многоугольников. Частные случаи уравнения прямой: каноническое и явное. Общее уравнение прямой. Геометрический смысл коэффициентов в общем уравнении прямой. Уравнение прямой в отрезках. Направляющие косинусы. *Самостоятельная работа.*	8
6. Взаимное расположение прямых на плоскости	Параллельность прямых на плоскости: формулировка критерия в зависимости от способа задания прямых. Построение прямой, параллельной данной и проходящей через заданную точку. Описание многоугольников с параллельными сторонами. Перпендикулярность прямых на плоскости: формулировка критерия в зависимости от способа задания прямых. Построение прямой, перпендикулярной данной и проходящей через заданную точку. *Контрольная работа.*	9

Второе полугодие 8 класса	18
7. Взаимное расположение объектов плоскости	Определение вида четырехугольника по координатам. Нахождении точек пересечения прямых. Расстояние от точки до прямой. Расстояние между параллельными прямыми. *Самостоятельная работа.*	7
8. Симметрии плоскости	Центральная симметрия. Определение и примеры симметрий в простейших многоугольниках. Построение точек и прямых, симметричных данным относительно заданного центра симметрии (геометрическое построение и алгебраическое описание). Осевая симметрия. Определение и примеры симметрий в простейших многоугольниках. Построение точек и прямых, симметричным данным относительно оси симметрии (геометрическое построение и алгебраическое описание). *Контрольная работа.*	11
1 полугодие 9 класса		17
9. Особые точки и отрезки в простейших многоугольниках	Геометрическое построение точки пересечения медиан и его алгебраическое нахождение. Вычисление координат точек пересечения биссектрис, высот и серединных перпендикуляров. Их особые свойства. *Самостоятельная работа.*	6
10. Решение многоугольников	Решение задач по геометрии с использованием метода координат. Теорема косинусов. *Контрольная работа.*	6
*11. Движение, Повторение**	Параллельный перенос, поворот	5

3.РАЗРАБОТКА УРОКОВ

Урок-лекция: «Расстояние от точки до прямой»

Цели: ввести понятия расстояния от точки до прямой, показать, как они применяются при решении задач.

1. Объяснение нового материала

Определение.

Расстояние от точки до прямой – это длина перпендикуляра, проведенного из данной точки к данной прямой

Следует обратить внимание на то, что расстояние от точки до прямой – это наименьшее из расстояний от этой точки до точек заданной прямой. Покажем это.

Возьмем на прямой a точку Q , не совпадающую с точкой M1 . Отрезок M1Q называют наклонной , проведенной из точки M1 к прямой a . Нам нужно показать, что перпендикуляр, проведенный из точки M1 к прямой a , меньше любой наклонной, проведенной из точки M1 к прямой a . Это действительно так: треугольник M1QH1 прямоугольный с гипотенузой M1Q , а длина гипотенузы всегда больше длины любого из катетов, следовательно, font-size:12.0pt;line-height:115%;font-family:Verdana">.

font-size:12.0pt; line-height:115%;font-family:Verdana">Если же при нахождении расстояния от точки до прямой есть возможность ввести прямоугольную систему координат, то можно воспользоваться методом координат. В этом уроке мы подробно остановимся на двух способах нахождения расстояния от точки M1 до прямой a , которые заданы в прямоугольной декартовой системе координат Oxy на плоскости. В первом случае расстояние от точки M1 до прямой a мы будем искать как расстояние от точки M1 до точки H1 , где H1 – основание перпендикуляра, опущенного из точки M1 на прямую a . Во втором способе нахождения расстояния от точки M1 до прямой a будем использовать нормальное уравнение прямой a .

Итак, поставим перед собой следующую задачу: пусть на плоскости зафиксирована прямоугольная система координат Oxy мы сможем вычислить, используя формулу для нахождения расстояния от точки M1 до точки H1 по их координатам: .

Осталось разобраться с нахождением координат точки H1 .

Мы знаем, что прямой линии в прямоугольной системе координат Oxy соответствует некоторо уравнение прямой на плоскости. Будем считать, что способ задания прямой a в условии задачи позволяет написать общее уравнение прямой a ил уравнение прямой с угловым коэффициентом. После этого мы можем составить уравнение прямой, проходящей через заданную точку М1, перпендикулярно прямой a . Обозначим эту прямую буквой b . Тогда точка H1 – это точка пересечения прямых a a и b , решая систему линейных уравнений font-size:12.0pt;line-height:115%;font-family:Verdana;color:#32322E">или ;

4) вычисляем требуемое расстояние от точки M1 до прямой a по формуле .

Министерство Образования Российской Федерации

Муниципальное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школы №18»

РЕФЕРАТ

ПО ГЕОМЕТРИИ

ТЕМА: МЕТОД КООРДИНАТ В ПРОСТРАНСТВЕ

Выполнил ученик 11 класса «C»

Мельник Роман

Руководитель

учитель математики Бакшеева И.К.

Бийск - 2008г

Содержание

Введение ……………………………………………………………..… 3.

Глава 1.

Глава 2.

вектора………………………………………………………………..……..10

4. Глава 3.

4.1. Применение координатного метода к решению стереометрических

задач………………………………………………………..…………….. 19

Заключение. ……………………………………………………………. .26

Список литературы……………………………………………………... 27

Введение

Тема моей работы «Метод координат в пространстве». Данная тема актуальна на сегодняшний момент для любого выпускника средней школы так как:

позволяет многие экзаменационные геометрические задачи решать аналитически, что требует меньшего объема знаний по геометрии и значительно сокращает время выполнения;

данный метод лежит в основе аналитической геометрии, которая изучается в курсе высшей математики.

Цель работы: систематизировать знания по данной теме и рассмотреть применение данного метода при решении различных стереометрических задач.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

Применяемые методы :

метод анализа и синтеза,

метод сравнения.

Глава 1

1. Метод координат: история развития.

Метод координат – это способ определять положение точки или тела с помощью чисел или других символов.

Числа, с помощью которых определяется положение точки, называют координатами точки.

Хорошо известные нам географические координаты определяют положение точки на поверхности Земли – каждая точка на земной поверхности имеет две координаты: широту и долготу.

Чтобы определить положение точки в пространстве, нужны три числа. Например, чтобы определить положение спутника, можно указать высоту его над поверхностью Земли, а также широту и долготу точки, над которой он находится.

С помощью метода координат можно изложить почти весь курс школьной геометрии без единого чертежа, используя только числа и алгебраические операции. Например, окружность можно определить как совокупность точек, удовлетворяющих уравнению, а прямую линию как совокупность точек удовлетворяющих уравнению. Таким образом, с помощью данного метода удалось связать между собой, казалось бы, совершенно разные науки алгебру и геометрию. Данное установление связи было, по существу, революцией в математике. Оно восстановило математику как единую науку.

Создателем метода координат считают французского философа и математика Рене Декарта (1596-1650), который в последней части большого философского трактата Декарта, вышедшего в 1637 году, дал описание метода координат и его применение к решению геометрических задач.

Развитие идей Декарта привело к возникновению особой ветви математики, которую теперь называют аналитической геометрией.

Само это название выражает основную идею теории. Аналитическая геометрия – это та часть математики, которая решает геометрические задачи аналитически (т.е. алгебраическими) средствами.

Наряду с Декартом основоположником аналитической геометрии является замечательный французский математик П.Ферма. С помощью метода координат Ферма изучил прямые линии и кривые второго порядка. Изучение аналитической геометрии в пространстве трех измерений существенно продвинул в XVIII веке А.Клеро. Явно и последовательно аналитическую геометрию на плоскости и в трехмерном пространстве изложил Л.Эйлер в 1748 г. в учебнике «Введение в анализ бесконечных».

В XIX веке был сделан еще один шаг в развитии геометрии – изучены многомерные пространства. Основной идеей для творцов теории была аналогия с «Геометрией» Декарта. У него точка на плоскости - это пара чисел , точка в трехмерном пространстве – тройка чисел ; в новой теории точка четырехмерного пространства – это четверка чисел . У Декарта - уравнение окружности на плоскости, - уравнение поверхности шара в трехмерном пространстве; в новой теории поверхность сферы в четырехмерном пространстве. Аналогичным образом в n - мерной геометрии рассматриваются плоскости, прямые, расстояния между точками, углы между прямыми и т.д.

Идеи многомерной геометрии прочно вошли в математику в конце XIX века, а в самом начале XX века, они нашли применение в специальной теории относительности, где к трем пространственным координатам добавляется четвертая – время. Таким образом, идеи геометрии Декарта, развитые учеными последующих поколений, лежат в основе современной науки.

2. Координаты точки в пространстве .

Говорят, что задана прямоугольная (декартовая) система координат, если через точку пространства проведены три попарно перпендикулярные прямые, на каждой из них выбрано направление и выбрана единица измерения отрезков. Плоскости, проходящие соответственно через оси координат и , и , и , называются координатными плоскостями и обозначаются , ,.

Координатами точки в пространстве называются координаты проекций этой точки на координатные оси.

Координаты точек: , , , , , , .

В пространстве, кроме координатных осей, удобно рассматривать еще координатные плоскости, т.е. плоскости, проходящие через две какие-либо оси. Таких плоскостей три:

Плоскость (проходящая через оси и )- множество точек вида, где и - любые числа;

Плоскость (проходящая через оси и )- множество точек вида , где и - любые числа;

Плоскость (проходящая через оси и )- множество точек вида , где и - любые числа.

Для любой точки М пространства можно найти три числа , которые будут служить ее координатами.

Чтобы найти первое число , проведем через точку М плоскость, параллельную координатной плоскость (перпендикулярную к оси x ).Точка пересечения этой плоскости с осью (точка М 1 ) имеет на этой оси координату .Это число - координата точки М 1 на оси - называется абсциссой точки М.

Чтобы найти вторую координату, через точку М проводят плоскость параллельную плоскости (перпендикулярную к оси y ), находят на оси y точку М 2 . Число y – координата точки М 2 на оси y – называется ординатой точки М.

Третью координату точки М найдем, проведя аналогичные построения, но перпендикулярно оси z . Полученное число z назовем аппликатой точки М.

3. Задание фигур в пространстве.

Также как на плоскости, координаты в пространстве дают возможность задавать с помощью чисел и числовых соотношений не только точки, но и линии, поверхности и другие множества точек. Посмотрим, например, какое множество точек получится, если задать только две координаты, а третью считать произвольной.

(например, ), задают в пространстве прямую, параллельную оси .

Все точки такой прямой имеют одну и ту же абсциссу и одну ординату. Координата может принимать любые значения.

Рассмотрим еще несколько примеров, показывающих как можно задать в

пространстве различные множества с помощью уравнений и других соотношений между координатами.

1). Рассмотрим уравнение .

Поскольку расстояние точки от начала координат задается выражением , то ясно, что в переводе на геометрический язык соотношение означает, что точка с координатами , находится на расстоянии R от начала координат. Значит, множеством всех точек, для которых выполняется соотношение , является поверхность шара - сфера с центром в начале координат и радиусом R .

2). Рассмотрим, где расположены точки, координаты которых удовлетворяют соотношению .

Так как это соотношение означает, что расстояние точки от начала координат меньше единицы, то искомое множество - это множество точек, лежащих внутри шара с центром в начале координат и радиусом, равным единице.

Глава 2

1.Разложение вектора по координатным векторам. Координаты вектора.

Базисом пространства называется любая упорядоченная тройка некомпланарных векторов , , , обозначаемая символом .

Частным случаем является прямоугольный ортонормированный базис , где - единичный вектор оси абсцисс, через - единичный вектор оси ординат и через -единичный вектор оси аппликат, т.е. , , , .

Этот базис и начало отсчета О определяют прямоугольную декартову систему координат в пространстве.

Теорема 1

Любой вектор пространства можно разложить по координатным векторам, т.е. представить в виде -

причем коэффициенты разложения определяются единственным образом.

Числа называются координатами вектора , т.е. . Так как нулевой вектор можно представить в виде , то все координаты нулевого вектора равны нулю, .

2. Линейные операции над векторами в координатах.

Правило 1.

Координаты равных векторов соответственно равны, т.е. если векторы и равны, то ,и .

Правило 2.

Каждая координата суммы двух или более векторов равна сумме соответствующих координат этих векторов.

Другими словами, если и -данные векторы, то вектор имеет координаты .

Правило 3.

Каждая координата разности двух векторов равна разности соответствующих координат этих векторов .

Другими словами, если и -данные векторы, то вектор имеет координаты

Правило 4.

Каждая координата произведения вектора на число равна произведению соответствующих координат вектора на это число.

Другими словами, если -данный вектор, -данное число, то вектор имеет координаты. .

Пример .

Найти координаты вектора , если , , .

Решение.

Вектор имеет координаты , а вектор - координаты .

Так как , то его координаты можно вычислить как: , , Значит вектор имеет координаты .

3.Связь между координатами векторов и координатами точек.

Определение.

Вектор, конец которого совпадает с данной точкой, а начало - с началом координат, называется радиус-вектором данной точки.

Радиус вектор

Правило 5.

Координаты любой точки равны соответствующим координатам ее радиус - вектора. ,.

Правило 6.

Каждая координата вектора равна разности соответствующих координат его конца и начала.

4.Условие коллинеарности двух векторов в координатах.

Пусть в системе координат заданы два вектора своими координатами и .

Правило 7.

Векторы и коллинеарны тогда и только тогда, когда их соответствующие координаты пропорциональны, .

Пример.

а) Рассмотрим векторы и .

Координаты вектора пропорциональны соответствующим координатам вектора : Поэтому , и, следовательно векторы коллинеарны.

б) Рассмотрим векторы и .

Координаты вектора не пропорциональны соответствующим координатам вектора , например Значит векторы не являются коллинеарными.

5.Простейшие задачи в координатах .

Задача 1.

Каждая координата середины отрезка равна полусумме соответствующих координат его концов.

Где , и .

,, ,

б) Вычисление длины вектора по его координатам.

Рассмотрим вектор ,

длина вектора вычисляется по формуле .

Так как ==, ==, ==, и , то из равенства получаем формулу: .

в) Расстояние между двумя точками.

Рассмотрим две произвольные точки: точку и точку . Выразим расстояние d между точками и через их координаты.

Рассмотрим вектор , где .

Но . Таким образом, расстояние между точками и

вычисляется по формуле .

6.Скалярное произведение векторов и вычисление угла между векторами через их координаты.

1) Скалярное произведение векторов

Скалярным произведением двух векторов называется произведение их длин на косинус угла между ними.

т.е. - острый.

Скалярное произведение ненулевых векторов отрицательно тогда и только тогда, когда угол между векторами - тупой,

т.е. - тупой.

Для любых векторов , , , и любого числа k справедливы равенства:

1. 0, причем >0 при 0.

2. (переместительный закон).

3. (распределительный закон).

4. (сочетательный закон).

2) Вычисление угла между векторами через их координаты.

Косинус угла между ненулевыми векторами и вычисляется по формуле ,

где

7. Вычисление углов между прямыми и плоскостями.

1) Угол между прямыми .

Для решения данной задачи введем понятие направляющего вектора прямой.

Определение.

Ненулевой вектор называется направляющим вектором прямой a , если он лежит, либо на прямой a , либо на прямой, параллельной a .

Пример

Векторы и направляющие прямых a и b , соответственно.

Определение.

Углом между прямыми называется угол между направляющими векторами данных прямых.

Угол между прямыми a и b равен углу между направляющими векторами данных прямых, и .

2).Угол между прямой и плоскостью .

Определение.

Углом между прямой и плоскостью называется угол между направляющим вектором данной прямой и ненулевым вектором перпендикулярным плоскости (нормаль).

Пусть , ( , а - искомый угол ().

Тогда

Значит .

Глава 3.

Применение координатного метода к решению стереометрических задач.

Задача.1

В основании пирамиды МАВС лежит прямоугольный треугольник АВС. , AC =3, BC =5. Ребро АМ перпендикулярно АС, АМ=4, . Найти объем пирамиды.

Решение.

1) Введем прямоугольную систему координат с началом в точке . Ось направим вдоль ребра АС , а плоскость Ох y вдоль основания пирамиды АВС.

В этой системе координат: , , . Так как по условию , то точка М лежит в плоскости xz и имеет координаты .

2) , .

Найдем высоту пирамиды. Опустим из точки М перпендикуляр М D на плоскость (АВС), тогда , т.к. . Следовательно, и расстояние между точками М и D равно , т.к. .

Найдем значение координаты z используя расстояния между точками, содержащими данную координату: , . , т.е. .

Имеем:

Так как , то Значит высота пирамиды равна . Следовательно .

Ответ: .

Задача.2.

В прямоугольном параллелепипеде , , . Найти: угол между прямыми и .

Решение.

1).Введем систему координат с началом в точке . Оси , и направим вдоль ребер , и соответственно. Так как угол между прямыми изменяется от до , а угол между векторами от до , то угол между прямыми и равен углу между векторами и , если он острый, или смежному с ним, если угол между векторами тупой.

Таким образом,

2).Вычислим угол между векторами и .

Найдем координаты векторов, используя координаты точек и :

, ,, .

Тогда координаты векторов и .

===

Следовательно,

Ответ: .

Задача 3.

Дан прямоугольный параллелепипед . Найти угол между прямой и плоскостью основания .

Решение.

1) Угол между прямой и плоскостью АВ 1 С – это угол между прямой и ее проекцией на плоскость. Угол между нормалью к плоскости и прямой дополняет его до 90 0 , поэтому .

Значит для того, чтобы найти угол между прямой и плоскостью (), следует найти угол между прямой и нормалью к плоскости () .

2) Введем систему координат с началом в точке . Оси , и направим вдоль ребер , и соответственно.

Координаты точек:

, , ,

а .

3) Найдем координаты нормали плоскости (). Напишем уравнение плоскости (), подставив координаты точек A , B 1 и С в уравнение плоскости .

Получим систему линейных уравнений:

Следовательно, уравнение плоскости () имеет вид , или , а вектор нормали имеет координаты .

Значит

И .

Ответ: .

Рассмотрим решение задачи двумя способами.

Задача 4. 1 способ: геометрический.

На ребрах , и. . Проведем прямую - средняя линия треугольника и, т.е. и,

Изученный теоретический материал был систематизирован.

При использовании метода к решению задач были выявлены особенности применения метода:

При выполнении работы столкнулся с трудностями:

Список литературы.

Л.С.Атанасян, В.Ф.Бутузов, С.Б.Кадомцев, Л.С.Киселева, Э.Г.Позняк . Геометрия, 10-11.М.,Просвещение, 2003.

В.Н.Литвиненко . Практикум по элементарной математике. Стереометрия: Учебное пособие.-М.:Вербум-М, 2000.

И.М .Гельфанд, Е.Г.Глаголева, А.А.Кириллов. Метод координат.-М.:Наука, 1968.

С.Г.Григорьев. Векторная алгебра и аналитическая геометрия. Учебное пособие по высшей математике.-М.:Информационно-внедренческий центр «Маркетинг», 2000.

И.Иванова, З.Ильченкова. Применение координатного вектора к решению стереометрических задач.//Математика, 2007, №2.

А.В.Дорофеев. Декарт и его геометрия.//Математика, 1992, №4.

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Вятский государственный гуманитарный университет

Математический факультет

Кафедра математического анализа и методики преподавания математики

Выпускная квалификационная работа

Изучение метода координат

в курсе геометрии основной школы

Выполнила:

студентка V курса математического факультета

Гольцева Ольга Вячеславовна

Научный руководитель:

М.В. Крутихина

Рецензент:

кандидат педагогических наук, доцент кафедры математического анализа и МПМ И.В. Ситникова

Допущена к защите в государственной аттестационной комиссии

«___» __________2005 г. Зав. кафедрой М.В. Крутихина

Введение........................................................................................................... 3

Глава 1 Теоретические основы использования метода координат в основной школе........................................................................................................................... 5

1.1 Основные положения изучения метода координат в школе................ 5

1.2 Анализ школьных учебников............................................................... 7

1.3 Суть метода координат....................................................................... 11

Глава 2 Методические основы изучения метода координат....................... 14

2.1 Этапы решения задач методом координат........................................ 14

2.2 Задачи, обучающие координатному методу..................................... 15

2.3 Виды задач, решаемых координатным методом.............................. 25

2.4 Опытное преподавание....................................................................... 30

Заключение.................................................................................................... 38

Библиографический список........................................................................... 39

Введение

В геометрии применяются различные методы решения задач – это синтетический (чисто геометрический) метод, метод преобразований, векторный, метод координат и другие. Они занимают различное положение в школе. Основным методом считается синтетический, а из других наиболее высокое положение занимает метод координат потому, что он тесно связан с алгеброй. Изящество синтетического метода достигается с помощью интуиции, догадок, дополнительных построений. Координатный метод этого не требует: решение задач во многом алгоритмизировано, что в большинстве случаев упрощает поиск и само решение задачи.

Можно с уверенностью говорить о том, что изучение данного метода является неотъемлемой частью школьного курса геометрии. Но нельзя забывать, что при решении задач координатным методом необходим навык алгебраических вычислений и не нужна высокая степень сообразительности, а это в свою очередь негативно сказывается на творческих способностях учащихся. Поэтому необходима методика изучения метода координат, позволяющая учащимся научиться решать разнообразные задачи координатным методом, однако не показывающая этот метод как основной для решения геометрических задач. Этим и определяется актуальность выбранной темы: «Изучение метода координат в школьном курсе геометрии основной школы».

Объект исследования данной работы – это процесс изучения учащимися геометрии.

Предметом исследования является изучение метода координат в курсе геометрии основной школы.

Цель работы – разработать методику изучения и использования метода координат в школьном курсе геометрии.

Гипотеза: изучение метода координат школе будет более эффективно, если:

В 5-6 классе проведена пропедевтическая работа по формированию основных умений и навыков;

В системном курсе планиметрии учащиеся знакомятся со структурой этого метода;

Используется продуманная система задач для формирования отдельных компонентов метода.

Предмет, цель и гипотеза исследования определяют следующие задачи:

1.Анализ вариантов изучения метода координат в некоторых из действующих учебников, а также содержание программы по математике по данной теме.

2.Описание метода координат и способов его применения на примере конкретных математических задач.

3.Выделение умений, необходимых для успешного овладения методом координат и подбор задач, формирующих данные умения.

4.Опытная проверка.

Для достижения целей работы, проверки гипотезы и решения поставленных выше задач были использованы следующие методы:

·анализ программы по математики, учебных пособий, методических материалов, касающихся метода координат;

·наблюдение за ходом образовательного процесса, за деятельностью учащихся.

Основной опытной базой являлась средняя общеобразовательная школа №51.

Глава I

Теоретические основы использования метода координат в основной школе

1.1 Основные положения изучения метода координат в школе

Придавая геометрическим исследованиям алгебраический характер, метод координат переносит в геометрию наиболее важную особенность алгебры - единообразие способов решения задач. Если в арифметике и элементарной геометрии приходится, как правило, искать для каждой задачи особый путь решения, то в алгебре и аналитической геометрии решения проводятся по общему для всех задач плану, легко приспособляемому к любой задаче. Перенесение в геометрию свойственных алгебре и поэтому обладающих большой общностью способов решения задач составляет главную ценность метода координат.

Другое достоинство метода координат состоит в том, что его применение избавляет от необходимости прибегать к наглядному представлению сложных пространственных изображений.

Можно выделить следующие цели изучения метода координат в школьном курсе геометрии:

Дать учащимся эффективный метод решения задач и доказательства ряда теорем;

Показать на основе этого метода тесную связь алгебры и геометрии;

Способствовать развитию вычислительной и графической культуры учащихся.

В школе изучение координатного метода и обучение его применению для решения различных математических задач происходит в несколько этапов. На первом этапе вводится основной понятийный аппарат, который хорошо отрабатывается в 5-6 классах и систематизируется в курсе геометрии. В 5 классе учащиеся знакомятся с координатным лучом, который в последствии, при изучении отрицательных чисел, дополняется до координатной прямой. И уже после введения рациональных чисел в 6 классе учащиеся изучают координатную плоскость. На втором этапе ученики знакомятся с уравнениями прямой и окружности. Данные понятия изучаются ими как в алгебре, так и в геометрии с разной содержательной целью, поэтому учащиеся часто не видят связи между ними, а, значит, и плохо усваивают суть метода. Так, в курсе алгебры VII класса графики основных функций вводятся путем построения ряда точек, координаты которых вычисляются по аналитическому заданию функции. В курсе геометрии уравнение прямой и окружности вводится на основе геометрических характеристических свойств, как множество точек, обладающих определенным свойством (равноудаленности от 2 точек – для прямой, от одной точки – для окружности). Обучение применению самого метода координат для решения задач происходит в курсе геометрии 9 класса. Для этого сначала раскрываются основные этапы применения метода, а затем на примере ряда задач показывается непосредственное применение метода координат.

Но не следует принимать координатный метод за основной метод решения задач и доказательства теорем. Шарыгин И. Ф. в своей статье говорит о вреде метода координат, как для сильных, так и для слабых учеников. Что касается слабых учеников, то «большей частью в этой группе находятся дети, которые плохо считают, с трудом понимают и запоминают формулы. Для этих детей Геометрия могла бы стать предметом, за счет которого они могли бы компенсировать недостатки общематематического развития. А вместо этого она ложится на них дополнительным грузом… Координатный метод оставляет в стороне геометрическую суть изучаемой геометрической ситуации. Воспитывается исполнитель, решающий заданную конкретную задачу. Не меньше, но и не больше. Не развивается геометрическая, и даже математическая интуиция, столь необходимая математику-исследователю», что в свою очередь составляет опасность для сильных учеников.

1.2 Анализ школьных учебников

Хорошо известно, что, как бы ни строился школьный курс геометрии, в нем обязательно присутствуют различные методы доказательства теорем и решения задач. Среди таких методов важное место занимают такие методы, как метод геометрических преобразований, метод координат, векторный метод. Сами эти методы тесно связаны между собой. В зависимости от концепции,раскрываемой авторами учебников геометрии для среднейшколы, тот или иной метод может занимать доминирующеезначение. Так в учебнике активную роль играет метод координат, который весьма плодотворен.

В школьной программе по математике методу координат уделяется сравнительно мало внимания. В разделе «Цели изучения курса геометрии» говорится: «При доказательстве теорем и решении задач… применяются геометрические преобразования, векторы и координаты». Следовательно, программа не ставит целью изучение метода координат как метода решения задач. В программе говорится, что «в результате изучения курса геометрии учащиеся должны уметь использовать координаты для решения несложных стандартных задач». Ни слова не говориться об овладении учащимися методом координат для доказательства теорем и решении задач. Упор делается на «несложные стандартные задачи», тогда как метод координат лучше проявляет свои достоинства при решении нестандартных и довольно сложных (если не решать их другими способами) задач.

В соответствии с программой по математике для средней общеобразовательной школы координаты впервые появляются в 5 классе. При этом, ребята знакомятся с изображением чисел на прямой и координатами точек. Причем введение этих понятий в учебниках различно. Так в учебнике в пятом параграфе первой главы рассматривается координатный луч, с его помощью в дальнейшем происходит сравнение натуральных и дробных чисел, а так же иллюстрация действий сложения и вычитания над натуральными числами. С понятием координатной прямой авторы учебника знакомят учащихся в 6 классе. В учебнике же нет определения «координатный луч». Авторы в начале 5 класса вводят понятие координатной прямой, хотя, до изучения отрицательных чисел, которое происходит в 6 классе, работа идет только с правой частью координатной прямой, представляющей собой координатный луч. Это не совсем удобно, так как могут возникнуть не нужные пока вопросы о другой части этой координатной прямой. В целом, учебники , содержат больше заданий, связанных с определением координатного луча, (координатной прямой, а затем и координатной плоскости) и чаще обращаются к нему для введения других понятий или рассмотрения действий над числами, чем учебники , .

Согласно программе в геометрии координаты изучаются в следующем объеме: «Координатная плоскость. Формула расстояния между двумя точками плоскости с заданными координатами. Уравнение прямой и окружности».

Так, в учебнике координатам посвящена отдельная глава в 9 классе. Причем этот материал изучается после изучения темы «Векторы», но до изучения скалярного произведения векторов. На рассмотрение темы отводиться 18 часов. В данном учебнике метод координат выделен в отдельную главу, в которой изучаются координаты вектора, уравнение окружности и прямой, решаются простейшие задачи в координатах. В этой главе дается понятие метода координат как метода изучения геометрических фигур с помощью средств алгебры. Школьники учатся решать задачи путем введения системы координат. Автор ставит целью научить школьников владеть методом координат не только в применении к задачам на построение фигур по их уравнению, но и при решении задач на доказательство, а также для вывода геометрических формул.

В отличии от других школьных учебников по геометрии в учебнике координаты заняли одно из центральных мест. Они вводятся начиная с 8 класса после изучения тем «Четырехугольники» и «ТеоремыПифагора». На изучение темы отводится 19 часов. Сразу, после рассмотрения основных понятии, связанных с введением координат на плоскости, уравнений окружности и прямой, с учащимися изучаются такие вопросы, как пересечение двух окружностей, пересечение прямой и окружности, определение синуса, косинуса и тангенсалюбого угла от 0° до 180°. Это и есть первые приложения метода координат, с которыми знакомятся учащиеся.

В курсе алгебры, исходя из уравнения y=f(x), где f(x) заданная функция, строили кривую, определяемую этим уравнением, т. е. строили график функции y=f(x) . Таким образом, шли как бы «от алгебры к геометрии». При изучении метода координат в геометрии мы выбираем обратный путь: исходя из геометрических свойств некоторых кривых, выводим их уравнение, т. е. идем как бы «от геометрии к алгебре». В 8 классе по учебнику и в 9 по учебнику рассматривается уравнение прямой и окружности. При этом обращается внимание на общее понятие «уравнение фигуры»: «Уравнением фигуры на плоскости в декартовых координатах называется уравнение с двумя неизвестными х и у, которому удовлетворяют координаты любой точки фигуры. И обратно: любые два числа, удовлетворяющие данному уравнению, являются координатами некоторой точки фигуры». Уравнение фигуры на плоскости в общем виде можно записывать так: F(х,у)=0, где F(х,у) функция двух переменных х и у.

Учебник реализует авторскую концепцию построения школьного курса геометрии, в нем больше внимания по сравнению с традиционными учебниками уделяется методам решения геометрических задач. Метод координат по данному учебнику является предпоследней темой 9 класса. При его изучении учащиеся знакомятся с декартовыми координатами на плоскости, рассматривают два уравнения «плоских линий: прямой и окружности», которые в дальнейшем будут необходимы при решении задач. В процессе этого отрабатываются некоторые умения, необходимые для решения задач координатным методом. Следует отметить, что в учебнике сравнительно небольшой теоретический материал по данной теме. Так, например, единственной доказанной формулой (причем только для одного случая когда х 1 ≠х 2 и у 1 ≠у 2), если не считать уравнений линий, является формула расстояния между точками. В отличие от учебников и формула середины отрезка в теоретическом материале не рассматривается, хотя в практических заданиях присутствует задача «Рассмотрим на координатной прямой точки А(-2,5) и В(4,3). Найти координаты точки М, если М – середина АВ», таким образом учащимся предлагается самим вывести формулу координат середины отрезка, рассматривая данный конкретный случай и используя понятия координат и формулу расстояния между точками.

А после изучения векторов рассматривается параграф «Координатный метод», в котором на примере двух разобранных задач, в одной из которых рассматривается окружность Аполлония, а в другой обращается внимание на выбор системы координат, учащимся предлагается ряд задач, решаемых данным методом. Это довольно сложные задачи, в основном связанные с нахождением геометрического места точек.

1.3 Суть метода координат

Немного из истории координатного метода.

В настоящее время уже очень большое числоспециалистов из разных областей науки имеют представление о прямоугольных декартовых координатах на плоскости, так как эти координаты дают возможность наглядно при помощи графика изобразить зависимость одной величины от другой. Название «декартовы координаты» наводит на ложную мысль о том, что эти координаты были открыты Декартом. В действительности прямоугольные координаты использовались в геометрии еще до нашей эры. Древний математик александрийской школы Аполлоний Пергский (живший в III-IIвеке до н. э.) уже фактически пользовался прямоугольными координатами. Он определял и изучал с их помощью хорошо известные в то время кривые: параболу, гиперболу и эллипс.

Аполлоний задавал их уравнениями: у 2 =рх (парабола)

(гипербола)

(эллипс, где р и q положительны)

Он, конечно, не выписывал уравнения в этой геометрической форме, так как в те времена не существовало еще алгебраической символики, а описывал уравнения, пользуясь геометрическими понятиями; у 2 в его терминологии есть площадь квадрата со стороной у; рх - площадь прямоугольника со сторонами р и х и т.д. С этими уравнениями связаны названия кривых. Парабола по-гречески обозначает равенство: квадрат имеет площадь у 2 равную площади рх прямоугольника. Гипербола по-гречески обозначает избыток: площадь квадрата у 2 превосходит площадь рх прямоугольника. Эллипс по-гречески обозначает недостаток: площадь квадрата меньше площади прямоугольника.

Декарт внес в прямоугольные координаты очень важное усовершенствование, введя правила выбора знаков. Но главное, пользуясь прямоугольными координатами, он построил аналитическую геометрию на плоскости, связав этим геометрию и алгебру. Нужно сказать, однако, что одновременно с Декартом построил аналитическую геометрию и другой французский математик, Ферма.

Значение аналитической геометрии состоит, прежде всего, в том, что она установила тесную связь между геометрией и алгеброй. Эти две ветви математики ко времени Декарта достигли уже высокой степени совершенства. Но развитие их в течение тысячелетий шло независимо друг от друга, и ко времени появления аналитической геометрии между ними намечалась лишь довольно слабая связь.

Координаты позволяют определять с помощью чисел положение любой точки пространства или плоскости. Этодает возможность «шифровать» различного рода фигуры,записывая их при помощи чисел. Соотношения между координатами чаще всего определяет не одну точку, а некоторое множество (совокупность) точек. Например, если отметить все точки, у которых абсцисса равна ординате, т. е. точки, координаты которых удовлетворяют уравнению х=у,то получится прямая линия - биссектрисы первого и третьего координатных углов.

Иногда, вместо «множество точек», говорят «геометрическое место точек». Например, геометрическое место точек, координаты которых удовлетворяют соотношению х=у - это, как было сказано выше, биссектрисы первого и третьего координатного угла. Установление связей между алгеброй, с одной стороны, и геометрией - с другой, было по существу, революцией в математике. Оно восстановило математику как единую науку, в которой нет «китайской стены» между отдельными ее частями.

Суть метода координат

Сущность метода координат как метода решения задач состоит в том, что, задавая фигуры уравнениями и выражая в координатах различные геометрические соотношения, мы можем решать геометрическую задачу средствами алгебры. Обратно, пользуясь координатами, можно истолковывать алгебраические и аналитические соотношения и факты геометрически и таким образом применять геометрию к решению алгебраических задач.

Метод координат – это универсальный метод. Он обеспечивает тесную связь между алгеброй и геометрией, которые, соединяясь, дают «богатые плоды», какие они не могли бы дать, оставаясь разделенными.

В отношении школьного курса геометрии можно сказать, что в некоторых случаях метод координат дает возможность строить доказательства и решать многие задачи более рационально, красиво, чем чисто геометрическими способами. Метод координат связан, правда, с одной геометрической сложностью. Одна и та же задача получает различное аналитическое представление в зависимости от того или иного выбора системы координат. И только достаточный опыт позволяет выбирать систему координат наиболее целесообразно.

Глава 2

Методические основы обучения координатному методу

2.1.Этапы решения задач методом координат

Чтобы решать задачи как алгебраические, так игеометрические методом координат необходимо выполнение3 этапов:

1) перевод задачи на координатный (аналитический) язык;

2)преобразование аналитического выражения;

3)обратный перевод, т. е. перевод с координатного языка на язык, в терминах которого сформулирована задача.

Для примера рассмотрим алгебраическую и геометрическую задачи и проиллюстрируем выполнение данных 3 этапов при их решении координатным методом.

№1. Сколько решений имеет система уравнений.

1 этап: на геометрическом языке в данной задачетребуется найти, сколько точек пересечения имеют фигуры,заданные данными уравнениями. Первое из них являетсяуравнением окружности с центром в начале координат и радиусом, равным 1, а второе - уравнением параболы.

2 этап: построение окружности и параболы; нахождение точек их пересечения.

3 этап: количество точек пересечения окружности и параболы является ответом на поставленный вопрос.

№2. Найдите множество точек, для каждой из которых расстояния от двух данных точек равны.

Обозначим данные точки через А и В. Выберем систему координат так, чтобы ось Ох совпадала с прямой АВ, а началом координат служила точка А Предположим далее, что АВ=а, тогда в выбранной системе координат А(0,0) и В(а,0). Точка М(х,у) принадлежит искомому множеству тогда и только тогда, когда АМ=МВ, или, что то же самое, АМ 2= МВ 2 . Используя формулу расстояния от одной точки координатной плоскости до другой, получаем АМ 2 = x 2 + y 2 , MB 2 =( x - a ) 2 + y 2 . Тогда х 2 +у 2 =(х-а) 2 + у 2

Равенство х 2 +у 2 =(х-а) 2 +у 2 и является алгебраической моделью ситуации, данной в задаче. На этом заканчивается первый этап ее решения (перевод задачи на координатный язык).

На втором этапе осуществляется преобразование полученного выражения, в результате которого получаемсоотношение .

На третьем этапе осуществляется перевод языка уравнения на геометрический язык. Полученное уравнение является уравнением прямой, параллельнойоси Оу и отстоящей от точки А на расстояние , т.е. серединного перпендикуляра к отрезку АВ.

2.2 Задачи, обучающие координатному методу

Для разработки методики формирования умения применятькоординатный метод важно выявить требования, которые предъявляет логическая структура решения задач мышлению решающего. Координатный метод предусматривает наличие у обучающихся умений и навыков, способствующих применению данного метода на практике. Проанализируем решение нескольких задач. В процессе этого анализа выделим умения, являющиеся компонентами умения использовать координатный метод при решении задач. Знание компонентов этого умения позволит осуществить его поэлементное формирование.

Задача №1 . В треугольнике ABC: AC=b, AB=c, ВС=а, BD -медиана.Докажите, что.

Выберем систему координат так, чтобы точка А служила началом координат, а осью Ох - прямая АС (рис. 2).

(умение оптимально выбирать систему координат, т. е. так, чтобы наиболее просто находить координаты данных точек).

В выбранной системе координат точки А, С и D имеютследующие координаты: А(0,0), D(,0) и С(b,0)

(умение вычислять координаты заданных точек). Обозначим координаты точки В через х и у. Тогда используя формулу для нахождения расстояний между двумя точками, заданными своими координатами, получаем:

х 2 +у 2 =с 2 , ( x - b ) 2 + y 2 = a 2 (1)

(умение находить расстояние между двумя точками, заданными координатами)

По той же формуле . (2)

Используя формулы (1) находим х и у.

Они равны:

; .

(умение выполнять преобразования алгебраических выражений)

Задача №2. Найти множество точек, для каждой из которых разность квадратов расстояний от двух данных точек есть величина постоянная.

Обозначим данные точки через А и В. Выберем систему координат так, чтобы ось Ох совпадала с прямой АВ, а началом координат служила точка А.

Предположим АВ=а, тогда в выбранной системе координат А(0,0), В(а,0).

Точка М(х,у) принадлежит искомому множеству тогда только тогда, когда AM 2 -MB 2 =b 2 где b- постоянная величина

(умение переводить геометрический язык на аналитический, составлять уравнения фигур).

Используя формулу расстояний между двумя точками, получаем:

, ,

(умение вычислять расстояние между точками, заданными координатами),или .Данное уравнение является уравнением прямой, параллельной оси Оу и отстоящей от точки А нарасстояние .

(умение видеть за уравнением конкретныйгеометрический образ)

Нетрудно видеть, что и для решения этой задачи необходимо овладение перечисленными выше умениями. Кроме того, для решения приведенной задачи, а также и других задач важно умение «видеть за уравнением» конкретный геометрический образ, котороеявляется обратным к умению составлять уравненияконкретных фигур.

Выделенные умения являются основой при решении иболее сложных задач.

Задача №3. В трапеции меньшая диагональ перпендикулярна основаниям. Найти большую диагональ, если сумма противоположных углов равна , а основания равны а и b.

Направим оси координат по меньшей диагонали и одному из оснований (рис. 3).

(умение оптимально выбирать систему координат).

Тогда точка А имеет координаты (0,0), точка В - (а,0), точка С - (0,c), точка D - (b,c).

(умение находить координаты заданных точек)

Пусть и острые углы в трапеции АВСD, тогда их сумма равна . Для вычисления длины большей диагонали BD надо найти значение с. Его можно вычислить 2 способами. Первый - из прямоугольного треугольника АВС по формуле находим . Второй способ из прямоугольного треугольника ACD: . Отсюда получили, что

(1)

Из равенства (1) находим отношение : оно равно -, так как . Выразим . Он равен , исходя из этого, пользуясь зависимостью (1), получаем .

(умение выразить недостающие координаты через уже известные величины)

(умение вычислять расстояние между точками, заданными координатами)

Она равна .

Итак, компонентами умения применять координатный метод в конкретных ситуациях являются следующие умения:

1. переводить геометрический язык на аналитический для одного типа задач и с аналитического на геометрический для другого;

2. стоить точку по заданным координатам;

3. находить координаты заданных точек;

4. вычислять расстояние между точками, заданными координатами;

5. оптимально выбирать систему координат;

6. составлять уравнения заданных фигур;

7. видеть за уравнением конкретный геометрический образ;

8. выполнять преобразование алгебраических соотношений.

Данные умения можно отработать на примере следующих задач, формирующих координатный метод:

1) задачи на построение точки по ее координатам;

2) задачи на нахождение координат заданных точек;

3) задачи на вычисление расстояния между точками, заданными координатами;

4) задачи на оптимальный выбор системы координат;

5) задачи на составление уравнения фигуры по ее характеристическому свойству;

6) задачи на определение фигуры по ее уравнению;

7) задачи на преобразование алгебраических равенств;

Приведем примеры таких задач.

I . Построение точек на плоскости.

С координатной прямой, а затем и с координатной плоскостью учащиеся знакомятся в 5-6 классах при изучении математического материала. При этом удобно использовать мультимедийные презентации, которые позволяют в динамике излагать необходимый материал, использовать всевозможные иллюстрации и звуковые эффекты, тем самым, заинтересовывая учащихся и являясь хорошим наглядным средством. Одним из примеров является презентация «Метод координат», опирающаяся на учебник . (см. приложение 1). Приведем несколько примеров задач, которые можно использовать при изучении координатной плоскости. Эти задачи могут быть использованы:

Для оттачивания навыков построения точек по их координатам со всем классом;

Для дополнительных заданий отстающим ученикам;

Для развития интереса к изучаемой теме.

1) На координатной плоскости постройте точки А(7,2), B(-2,1), C(0,2).

2) Отметьте на плоскости несколько точек. Начертите произвольную систему координат и найдите в ней координаты заданных точек.

3) Постройте фигуры по координатам их узловых точек. Указание: узловыми будем называть точки, служащие концами отрезков, образующих фигуры. Точки, координаты которых записаны подряд через запятую, соединяйте последовательно друг с другом. Если же координаты разделяются знаком «;», то соответствующие точки не следует соединять. Они нужны для изображения вспомогательных элементов.

А) Камбала (Рис. 4)

(3,7), (1,5), (2,4), (4,3),

(5,2), (6,2), (8,4), (8,-1),

(6,0), (0,-3),(2,-6),(-2,-3),

(-4,-2),(-5,-1),(-6,1),(-4,1);

(-6,1), (-6,2), (-3,5), (3,7);

(-4,-2),(-2,0),(-2,2),(-3,5);(-3,3).

Б)Найдите координаты выделенных на рисунке точек, двигаясь по часовой стрелке от самой жирной точки. (Рис. 5 и 6)

II .Задачи на выбор системы координат

Выбор системы координат имеет очень важное значение при применении метода координат.

Для примера возьмем задачу, которая рассмотрена в учебнике «Середина гипотенузы прямоугольного треугольника равноудалена от его вершин».

Первым шагом при применении метода координат является такой выбор осей и системы координат, при котором алгебраические выкладки становятся более простыми. Для данной задачи удачный выбор системы координат показан на рисунке 7. Таким образом, начало координат помещаем в точку А, а оси проводим через точки В и С так, чтобы эти точки лежали на положительных лучах осей. Следовательно, В(а,0) и С(0,b). Поэтому по формуле середины отрезкаD(). Теперь , .

Поэтому AD=BD. А так как по определению середины отрезка BC=CD, то теорема доказана.

Можно выбрать систему координат и по-другому (рис.8, рис.9). Если выбрать оси совсем случайно, то легкую задачу можно превратить в очень трудную. Чтобы начать доказательство исходя из рисунка 10, нужно найти способ, позволяющий выразить алгебраически, что треугольник ABC имеет при вершине А прямой угол. Сделать это можно, но будет это не очень просто.

Поэтому необходимо вырабатывать у учащихся, начиная с 6 класса, представления о возможности произвольного выбора системы координат. Эту работу целесообразно вести в процессе решения задач. В целях пропедевтической работы можно рекомендовать в 6 классе задачи из учебника на нахождение координат точек по рисунку, разнообразя их с помощью изменения направления осей и начала координат. (см. приложение1)

1. Длина отрезка АВ равна 5см. а)Выберитесистему координат, в которой можно было бынаиболее просто определить координаты концовотрезка. б)Выберите систему координат так,чтобы координаты концов отрезка были бы: А (-2.5,0), В(2.5,0).

2. Постройте квадрат ABCD со стороной 2 см; отметьте точку М- центр квадрата. Поместите начало координат последовательно в точки A, B, C, D и выберите направление осей координат так, чтобы точка М в каждой системе координат имела координаты (1;1). За единичный примите отрезок длиной 1 см.

3. Треугольник ABC равносторонний (длина стороныравна 6 см.). Выберите систему координат так,чтобы можно проще было бы определить координаты его вершин.

III . Расстояние между точками

1) Точка М(а,с) находится от начала координат и точкиА(4,0) соответственно на расстояниях 3 и 4 см.Определите координаты точки М.

2) Дан прямоугольник ABCD (АВ=2 см., ВС=4 см.). Каквыбрать систему координат, чтобы его вершины имеликоординаты А(-1,-2), В(-1,2), С(1,2), D(l,-2)?

3) Длины сторон треугольника ABC равны 3, 4 и 5 см. Выберете систему координат и определите в нейкоординаты вершин треугольника ABC.

4) Вершины четырехугольника ABCD имеют следующиекоординаты: А(-3,1), В(3,6), С(2,2) и D(-4,3).Установите вид четырехугольника.

IV. Составление уравнения фигур

Это умение является одним из основных умений, которые необходимы при применении метода координат к решению задач.

1) Изобразите систему координат. Отметьте на оси Охточки А и В. Запишите соотношения, которымудовлетворяют координаты точек, принадлежащих:а)отрезку АВ; б)лучу АВ; в)лучу ВА;

2) Запишите уравнение прямой, содержащей началокоординат и точку А(2,5).

3) Запишите уравнение прямой, содержащей точки А(2,7)и В(1,3).

4) Изобразите на координатной плоскости произвольнуюпрямую и найдите ее уравнение.

5) Запишите соотношения, которым удовлетворяю координаты точек прямоугольника с вершинами А(2,3),В(2,5), С(4,5), D(4,3).

6) Что представляют собой множества точек плоскости,координаты которых удовлетворяют неравенствам: а)х≤3; b)-5≤х≤0; c)x>1; d)x<-2; e)≥2; f)≥0?

7) Какую фигуру образует множество точек, координатыкоторых удовлетворяют системе неравенств 2≤x≤5 и 1≤y≤3?

8) Постройте точки, симметричные точкам А(2,-3) , В(5,0), С (0,7) относительно: а) оси Ох; б) оси Оу; в)биссектрисы I и III координатных углов. Запишите эти координаты.

9) Установите, относительно какой из координатныхосей симметричны точки А(1,2),В (-7,2).

10) Точки А(5,…), В(…,2) симметричны относительно осиОх. Запишите пропущенные координаты.

11) Постройте образы точек А(1,5), В(-2,3), С(3,0) при параллельном переносе а)О(0,0)→К(3,0); 6)0(0,0)→М(2,3). Запишите их координаты.

12) С помощью какого параллельного переноса можноотобразить точку М(-3,4) в точку M 1 (2,4)?

13) Найдите на прямых у=-Зх+1 и у=2х+3 точки, симметричные относительно оси Ох.

14) Запишите уравнение прямой, на которую отображается прямая у=4х-3 вектором с координатами (3,4).

15) На прямых у=Зх+2 и у=-5х+5 найдите такие точки, которые находятся одна от другой на расстоянии 5 см, и принадлежат прямой, параллельной оси Ох.

2.3 Виды задач, решаемых методом координат

Применяя метод координат, можно решать задачи двухвидов.

1. Пользуясь координатами можно истолковать уравнения и неравенства геометрически и таким образом применять геометрию к алгебре и анализу. Графическое изображение функции первый пример такого применения метода координат.

2. Задавая фигуры уравнениями и выражая в координатах геометрические соотношения, мы применяем алгебру к геометрии. Например, можно выразить через координаты основную геометрическую величину - расстояние между точками.

В связи с усилением роли координатного метода в изучении геометрии особенно актуальной становиться проблема его формирования. Наиболее распространенными среди планиметрических задач, решаемых координатным методом, являются задачи следующих 2 видов: 1) на обоснование зависимостей между элементами фигур, особенно между длинами этих элементов; 2) на нахождение множества точек, удовлетворяющих определенным свойствам.

Примером задач первого вида может служить следующая:

«В треугольнике ABC, AB=c, AC=b, BC=a, BD - медиана.

Доказать, что »

Задача: «Найти множество точек, для каждой из которых разность квадратов расстояний от двух данных точек есть величина постоянная» - является примером задач второго вида.

Решения этих задач были разобраны выше.

Несмотря на недостатки метода координат такие как наличие большого количества дополнительных формул, требующих запоминания, и отсутствие предпосылок развития творческих способностей учащихся, некоторые виды задач трудно решить без применения данного метода. Поэтому изучение метода координат необходимо, однако более детальное знакомство с этим методом целесообразно проводить на факультативных занятиях. Далее приведем ряд задач для факультативов.

Пример 1. Докажите, что сумма квадратов расстояний от точки, взятой на диаметре окружности, до концов любой из параллельных ему хорд постоянна.

Введем прямоугольную систему координат с началом в центре окружности. Пусть хорда МР параллельна оси Ох, а точка А принадлежит диаметру (рис. 11). Обозначим расстояние ОА через а, а расстояние от точки Р до оси Ох через b. Тогда точка А имеет координаты (а, 0). Точки Р и М принадлежат окружности с центром в начале координат и радиусом равным 1, следовательно их координаты удовлетворяют уравнению данной окружности . Используя это уравнение находим координаты точек Р() и М(). Необходимо доказать, что АМ 2 +АР 2 не зависит от переменной b. Найдем АМ 2 и АР 2 используя формулу нахождения расстояния между двумя точками по их координатам: . Они соответственно равны и , а их сумма после приведения подобных равна 2а 2 +2. Это число не зависит от переменной b, что и требовалось доказать.

Пример 2. Доказать, что сумма квадратов длин сторон четырехугольника равна сумме квадратов длин его диагоналей, сложенной с учетверенным квадратом расстояния между серединами диагоналей. (Теорема Эйлера)

Решение: Введем прямоугольную систему координат как показано на рисунке 12.

Пусть точки А, В, С и D имеют координаты (0,0), (d,0), (c,d) и (0,d) соответственно. Следовательно, координаты точек L и P есть () и (). Найдем квадраты длин отрезков, с помощью формулы нахождения расстояния между точками по их координатам.

AD 2 =; BC 2 =; DC 2 =; AB 2 =;

AC 2 =; BD 2 =; LP 2 =.

Запишем выражение, которое необходимо доказать, используя найденные нами значения.

AD 2 +BC 2 +DC 2 +AB 2 =AC 2 +BD 2 +4LP 2

+++=++4

Раскроем скобки, приведем подобные и получим верное равенство 0=0. Значит, сумма квадратов длин сторон четырехугольника равна сумме квадратов длин его диагоналей, сложенной с учетверенным квадратом расстояния между серединами диагоналей.

Пример 3. Диаметры ABи CD окружности перпендикулярны. Хорда ЕА пересекает диаметр СD в точке К, хорда ЕС пересекает диаметр АВ в точке L. Докажите, что если СК:KD так же как 2:1, то AL:LB так же как 3:1.

Решение: Введем прямоугольную систему координат, направив оси по данным диаметрам ABи CD(рис. 13).

Радиус окружности будем считать равным 1. Тогда точки А, В, С, D будут иметь координаты (-1,0 ), (1,0 ), (0,-1 ), (0,1 ) соответственно. Так как СК:KD=2:1, то точка К имеет координаты (0 ,). Найдем координаты точки Е как точки пересечения прямой АК, имеющей уравнение и окружности, заданной уравнением . Получаем, что точка Е имеет координаты (). Точка L – это точка пересечения прямых СЕ и оси абсцисс, значит ординаты точки L равна 0.

Найдем абсциссу точки L. Прямая СЕ задана уравнением . Она пересекает ось Ох в точке (,0 ). Отсюда координаты точки L(,0 ). Найдем отношение AL:LB. Оно равно трем, что и требовалось доказать.

1. Доказать, что если в треугольнике две медианыконгруэнтны, то треугольник равнобедренный.

2. Найти множество таких точек Р, что отношениерасстояний от каждой из них до двух данных точекравно а.

3. Докажите, что уравнение окружности с центром в точкеС (а,с) и радиусом r имеет вид: (х-а) 2 +(у-с) 2 = r 2

4. Найти угол между прямыми Зх-4у+6=0 и 12х+5у+8=0

5. Определите расстояние от точки А(-3,4) до прямой у=х+2.

6. Вычислите площадь треугольника, вершины которого имеют следующие координаты: А (0,-2), В(6,2) и С(2,4) .

7. На прямой с даны три точки А, В, С так, что точка В лежит между точками А и С. В одной полуплоскости с границей а построены равносторонние треугольники АМВ и ВРС. Доказать, что середина отрезка РА, середина отрезка МС и точка В являются вершинами равностороннего треугольника.

8. Доказать, что для любой точки Р лежащей междувершинами В и треугольника ABC, справедливоравенство:

АВ 2 *РС+АС*ВР-АР 2 *ВС=ВС*ВР*РС.

9. Дан прямоугольник. Докажите, что сумма квадратоврасстояний от произвольной точки, принадлежащейплоскости этого прямоугольника до его вершин, в двараза больше суммы квадратов расстояний от этой точкидо сторон прямоугольника.

10.Доказать, что если через некоторую точку М провестипрямую, пересекающую окружность в точках А и В, топроизведение МА*МВ постоянно и не зависит отположения прямой.

11.Дан прямоугольник ABCD. Найти множество точек М, длякоторых MA 2 +MC 2 =MB 2 +MD 2 . (ответ: множество точек Месть плоскость)

12.Дан прямоугольник ABCD. Найти множество точек М, длякоторых MA+MC=MB+MD. (Ответ: пара прямых)

13.Дан прямоугольный треугольник ABC (ÐC=90°) . Найти множество точек Р, для которых 2РС 2 =РА 2 +РВ 2 . (ответ: множество точек Р есть прямая, содержащая середину М гипотенузы АВ и перпендикулярная к медиане СМ).

2. 4 Опытное преподавание

Опытное преподавание проводилось в 9 классе средней общеобразовательной школы №51. Перед его проведением была изучена математическая и методическая литература и разработана методика проведения факультатива. Было проведено 2 занятия. В данном классе изучение геометрии ведется по учебнику , поэтому в качестве основного теоретического и практического источника я выбрала данный методический комплект.

I. Занятия проводились по теме «Простейшие задачи в координатах», до ознакомления с которыми учащиеся изучали тему «Векторы», познакомились с понятием «координаты вектора», а также узнали формулу середины отрезка.

1 занятие : «Простейшие задачи в координатах»

Образовательная цель урока – рассмотреть задачи о вычислении длины вектора по его координатам и по координатам его начала и конца; показать, как они используются при решении других задач.

Вначале урока был проведен устный счет для проверки усвоения материала, разобранного на прошлом уроке, а также для проведения пропедевтической работы по повторению тех понятий и фактов, которые будут использованы при объяснении нового материала.

Устный счет:

1. Координаты точек А(-2, 3) и В(2, -4). Найдите координаты векторов и .

2. Координаты точек М(5,-8) и Р(-3, 4). Найдите координаты точки О (О – середина отрезка МР).

3. СР – диагональ окружности; С(-2, -1), Р(5, 7). Найдите координаты центра окружности – точки Е.

4. ABCD– прямоугольник, АD=7, АВ=5. Найдите АС.

Новый материал:

1) Вычисление длины вектора по его координатам.

Вывод формулы опирается на теорему Пифагора и на то, что расстояние между двумя точками оси координат находится по формулам (для точек ; оси х) и (для точек ; оси у). Покажем, что длина вектора равна . Данная формула доказывается только для случая, когда х ≠0 и у ≠0, в достоверности других случаев учащимся предоставляется убедиться самостоятельно. Для доказательства задаем координатную плоскость и рассматриваем вектор с началом в начале координат (по теореме: от любой точки можно отложить вектор, равный данному и притом единственный). Используя формулу для нахождения координат вектора по координатам его начала и конца, можем найти координаты точки А. Далее с помощью теоремы Пифагора находим длину отрезка ОА=. следовательно, их длины раны, т.о. .

2) Расстояние между двумя точками.

Нахождение данной формулы опирается на использование предыдущей. Пусть имеются точки М 1 (х 1 ,у 1 )и М 2 (х 2 ,у 2 ), необходимо найти расстояние между этими точками. Рассмотрим вектор М 1 М 2 . Его координаты равны . Находим длину вектора по его координатам: , а расстояние между М 1 и М 2 это длина вектора . После выведения данной формулы можно записать формулу и показать, что они эквивалентны.

Закрепление: для закрепления используется ряд задач на применение данных формул.

1. Найдите длины векторов: а) ; b)

2. Найдите медиану АМ треугольника АВС, вершины которого имеют координаты: А(0,1), В(1, -4), С(5,2).

3. Вершина А параллелограмма ОАСВ лежит на положительной полуоси Ох, вершина В имеет координаты (b, c), а ОА=а. Найдите а)координаты вершины С; b)сторону АС и диагональ СО. .

Домашнее задание № 939, 941

2 занятие: «Простейшие задачи в координатах». (урок – закрепление)

Общеобразовательная цель урока: показать, как «простейшие задачи» используются при решении более сложных и проверить усвоение знаний, полученных на прошлом уроке.

В начале урока был проведен устный счет для проверки усвоения материала, разобранного на прошлом уроке.

Устный счет : записать координаты

●Середины отрезка ●Координаты вектора

· Длины вектора

· Расстояние между точками М и N.

Решение задач.

1. Докажите, что треугольник АВС равнобедренный, и найдите его площадь, если А(0,1), В(1,-4), С(5,2).

2. Докажите, что четырехугольник MNPQявляется параллелограммом, и найдите его диагонали, если N(6,1), P(7,4), Q(2,4), М(1,1).

Самостоятельная работа.

Домашнее задание №945, 948(а)

II. Факультатив.

Для проведения факультатива предлагается ряд более сложных нестандартных задач, при решении которых используется метод координат.

Задача 1 . Два предприятия А и В производят продукцию с одной и той же ценой m за одно изделие. Однако автопарк,обслуживающий предприятие А, оснащен более современными и более мощными грузовыми автомобилями. В результате транспортные расходы на перевозку одного изделия составляют для предприятия А 10 р. на 1 км, а для предприятия В 20 р. на 1 км. Расстояние между предприятиями 300 км. Как территориально должен быть расположен рынок сбыта между двумя предприятиями для того, чтобы расходы потребителей при покупке изделий были минимальными.

Для решения данной задачи воспользуемся методом координат. Систему координат выберем так, чтобы ось Ох проходила через пункты А и В, а ось Оу через точку А. Пусть Р произвольная точка, s 1 и s 2 расстояния от точки до предприятий А и В (рис.17). Тогда А(0, 0), В(300, 0), Р(х, у).

При доставке груза из пункта А расходы равны m +10 s 1 . При доставке груза из пункта В расходы равны m +20 s 2 . Если для пункта Р выгоднее доставлять груз с предприятия А, то m +10 s 1 < m +20 s 2 ,откуда s 1 <2 s 2 , в обратном случае получим s 1 >2 s 2 .

Таким образом, границей области для каждой точки, до которой расходы на перевозку груза из пунктов А и В равны, будет множество точек плоскости, удовлетворяющих уравнению

s 1 =2 s 2 (1)

Выразим s 1 и 2s 2 через координаты:

, .

Имея в виду (1), получим .

Это и есть уравнение окружности. Следовательно, для всех пунктов, попадающих во внутреннюю область круга, выгоднее привозить груз из пункта В, а для всех пунктов, попадающих во внешнюю часть круга, - из пункта А.

Задача 2. На плоскости даны точки А и В; найти геометрическое место точек М, удаленных от А в двое больше, чем от В.

Выберем систему координат на плоскости так, чтобы начало координат попало в точку А, а положительная полуось абсцисс пошла по АВ. За единицу масштаба возьмем отрезок АВ. Точка А будет иметь координаты (0,0), точка В координаты (1,0). Координаты точки М обозначим через (х,у). Условие записывается в координатах так:

Мы получили уравнение искомого геометрического места точек. Чтобы понять, какое множество описывается этим уравнением, мы преобразуем его так, чтобы оно приняло знакомый нам вид. Возведя обе засти в квадрат, раскрывая скобки и приводя подобные члены, получаем равенство:Зх 2 -8х+4+Зу 2 =0.

Это равенство можно переписать так:

или так: . Это уравнение окружности с центром в точке (,0) и радиусом, равным . Это значит, что наше геометрическое место точек является окружностью.

Задача 3.Дан треугольник ABC; найти центр окружности, описанной около этого треугольника.

Примем точку А за начало координат, ось абсцисс направим от А к В. Тогда точка В будет иметь координаты (с,0), где с - длинна отрезка АВ. Пусть точка С имеет координаты (q,h), а центр искомой окружности - (а,b). Радиус этой окружности обозначим через R. Запишем в координатах принадлежность точек А(0,0), В(с,0) и C(q,h) искомой окружности:

a 2 +b 2 =R 2 ,

(c-a) 2 +b 2 =R 2 ,

(q-a) 2 +(h-b) 2 =R 2 .

Каждое из этих условий выражает тот факт, что расстояние точек А(0,0), В(с,0), C(q,h) от центра окружности (а,b) равно радиусу. Эти условия легко получить, если записать уравнение искомой окружности (окружности с центром (а,b) и радиусом R), т. е.(x-a) 2 +(y-b) 2 =R 2 ,а затем в это уравнение вместо х и у подставить координаты точек А, В и С, лежащих на этой окружности. Эта система трех уравнений с тремя неизвестными легко решается, и мы получаем:

, ,

Задача решена, так как мы нашли координаты центра и радиус. Причем следует заметить, что мы при решении задачи не прибегали к построению чертежа.

Домашнее задание :

1. Лестница, стоящая на гладком полу у стены соскальзывает вниз. По какой линии движется котенок, сидящий на середине лестницы?

2. В квадрат вписана окружность. Доказать, что суммаквадратов расстояний любой точки окружности до сторонквадрата постоянна.

Краткий анализ проведенных занятий : Учащиеся на уроках активно принимали участие, особенно на первом при выводе формул, так как материал не сложный и использует факты и понятия, которые были изучены не так давно и повторены на устном счете. Также на 1 уроке удалось прорешать все запланированные задачи на закрепление, особую трудность вызвала задача № 3, в которой учащиеся долго не могли сделать чертеж и путались в формулах нахождения длины и координат вектора. Проведенная на следующем уроке самостоятельная работа показала, что практически все ученики усвоили материал (с работой не справились 2 человека из 26 учеников этого класса). Наибольшее количество ошибок было сделано в задаче № 2, при использовании формулы нахождения расстояния между 2 точками. Таким образом, можно предположить, что тема «Простейшие задачи в координатах» была успешно усвоена большинством учеников данного класса.

Заключение

Достаточно простой в применении, метод координат является необходимой составляющей решения задач различного уровня. Использование данного метода, позволяет учащимся значительно упростить и сократить процесс решения задач, что помогает им при дальнейшем изучении, как школьного курса математики, так и при изучении математики в высших учебных заведениях.

В данной дипломной работе:

o проанализировано несколько действующих школьных учебников относительно темы «Метод координат»;

o описан сам метод координат, виды и этапы решения задач методом координат;

o выделены основные умения, необходимые для овладения данным методом и приведен ряд задач, формирующих их.

Также было проведено опытное преподавание, которое подтвердило гипотезу о том, что изучение метода координат в школьном курсе геометрии необходимо. Оно будет более эффективно, если в 5-6 классе проведена пропедевтическая работа по формированию основных умений и навыков, в системном курсе планиметрии учащиеся знакомятся со структурой данного метода, и используется продуманная система задач для формирования отдельных компонентов метода.

Библиографический список

1. Автономова, Т. В. Основные понятия и методы школьного курса геометрии: Книга для учителя [Текст]/ Б. И. Аргунов – М. Просвещение, 1988г. – 127с.

2. Атанасян, Л. С. Геометрия для 7-9 классов средней школы [Текст] / В. Ф. Бутузов, С. Д. Кадомцев, Э. Г. Позняк, И. И. Юдина – М. Просвещение, 1992г.- 335с.

3. Виленкин, Н. Я. Математика: Учеб. для 5 кл. сред. шк. [Текст]/ А. С. Чесноков, С. И Шварцбурд.- М. Просвещение, 1989г. – 304с.

4. Виленкин, Н. Я. Математика: Учеб. для 6 кл. общеобразоват. учреждений [Текст] / В. И. Жохов, А. С. Чесноков, С. И Шварцбурд. – М. Мнемозина, 2001г. – 304с.

5. Гельфанд, И. М. Метод координат [Текст]- М. Наука, 1973г. -87с.

6. Дорофеев, Г. В. Математика: Учеб. для 5 кл. общеобразоват. учреждений [Текст] / И. Ф. Шарыгин, С. Б. Суворова – М. Просвещение, 2000г. – 368с.

7. Дорофеев, Г. В. Математика: Учеб. для 6 кл. общеобразоват. учеб. заведений [Текст] / И. Ф. Шарыгин, С. Б. Суворова – М. Дрофа, 1998г. – 416с.

8. Изучение координат в III – IV кл. / Л. Г. Петерсон // Математика в школе - 1983г.- №4

9. Индивидуальные карточки по геометрии для 7-9 кл. / Т. М. Мищенко // Математика в школе – 2001г. - № 8

10. Итоги работы в 7 кл. по учебнику Шарыгина И. Ф. 7-9 / О.В. Бощенко // Математика в школе - 2002г. №5

11. К изучению перемещений на координатной плоскости / Г.Б. Лудина // Математика в школе – 1983г.- №2

12. К началу обучения геометрии 1-7 кл. // Математика в школе 1983г. - №6

13. Лускина М. Г. Факультативные занятия по математике в школе: Методические рекомендации [Текст]/ В. И. Зубарева – Киров ВГПУ, 1995г.

14. Лященко, Е. И. Лабораторные и практические работы по методике преподавания математики: Учеб. пособие для студентов физ.-мат. спец. пед. ин-тов [Текст] / К. В. Зобкова, Т. Ф. Кириченко – М. Просвещение, 1988г. – 233с.

15. Метод координат / А. Савин // Квант -1977г. - №9

16. Мишин, В. И. Методика преподавания математики в средней школе: Частная методика: Учеб пособие для студентов пед. ин-тов по физ.-мат. спец. [Текст] / А. Я. Блох, В. А. Гусев, Г. В. Дорофеев – М. Просвещение 1987г. – 416с.

17. Никольская, И. Л. Факультативный курс по математике: Учеб. пособие для 7-9 кл. ср. шк. [Текст] – М. Просвещение, 1991г. – 383с.

18. Новые компьютерные технологии. Координатная плоскость // Математика - Приложение к газ. «Первое сентября» – 2004г. №29

19. Нужна ли школе XXI века геометрия /И. Шарыгин // Математика - Приложение к газ. «1 сентября» – 2004г. №12

20. О конкретном учебнике геометрии для 7-9 кл. / Л.С. Атанасян // Математика в школе – 1989г. - №1

21. Обсуждение одного учебника / И.Е Феоктистов // Математика в школе -2001г. №5

22. Погорелов, А. В. Геометрия для 7-11 классовсредней школы - М: Просвещение, 1990г. - 384с.

23. Понтрягин, Л. С. Знакомство с высшей математикой. Метод координат [Текст] – М. Наука, 1987г. – 128с.

24. Программа по математике для средней школы - М. Просвещение, 1998г. -205с.

25. Саранцев, Г. И. Упражнения в обучении математике [Текст] – М. Просвещение, 1995г. – 240с.

26. Сикорский, К. П. Дополнительные главы по курсу математики. Учебное пособие по факультативному курсу для учащихся 7-8 классов [Текст] – М. Просвещение, 1974г.- 315с.

27. Упражнения по теме «Координатная плоскость» / О.А. Леонова // Математика в школе – 2001г. - №10

28. Шарыгин, И. Ф. Геометрия 7-9 кл.: Учеб для общеоразоват. учеб. заведений [Текст] – М. Дрофа, 2000г. -368с.

Чтобы посмотреть презентацию с картинками, оформлением и слайдами, скачайте ее файл и откройте в PowerPoint на своем компьютере.
Текстовое содержимое слайдов презентации: Учебный комплекс авторской физико-математической школы-лицея № 61.ПРОЕКТ«Метод координат в математике и географии»Выполнили: учащиеся 7 Б и 7 В классов УК АФМШЛ № 61 Евлашков Даниил Литтау Роман Хегай ВладимирРуководитель: Горборукова Н.В.г. Бишкек – 2012 г. Определение местоположения того или иногопредмета на поверхности Земли или какой-либо точки на плоскости – это определение их адреса. «Адрес» в географии – географическая широта; географическая долгота; абсолютная высота.«Адрес» в математике – абсцисса, ордината точки на координатной плоскости Цель проекта:Исследовать и сравнить способы определения «адреса» объекта в географии и математики. Задачи проекта:Ответить на следующие вопросы:Кто, когда и для чего впервые ввел понятие «координаты»?Существует ли генетическая связь между понятиями «географические координаты» и «координатный метод» в математике? Или это слова-омонимы?На развитие каких наук оказал влияние метод координат?Какие еще виды систем координат помимо прямоугольной существуют и используются человеком в настоящее время в практической деятельности? Историческая справка.Во II – III веках до н. э. меридианы и параллели впервые появились на карте Эратосфена. Однако, они еще не представляли собой координатной сетки. Карта Эратосфена Во II в. до н. э. Гиппарх впервые разделил круг на 360 частей и предложил опоясать на карте Земной шар меридианами и параллелями. Ввел понятие – экватор, провел параллели и через полюса провел меридианы. Таким образом, была создана картографическая сеть и стало возможным наносить на карту географические объекты. Карта Гиппарха Завершил плеяду великих античных астрономов и географов Клавдий Птолемей (190 – 168 г.г. до н. э.). В своем труде «Руководство по географии» в 8 книгах дал описание свыше 8000 географических объектов с указанием их географических координат: широты и долготы. 1. География: «geo» – Земля, «grafo» – пишу.2. Геометрия: «geo» – земля, «metreo» - измерять.Как видно, эти две науки были тесно связаны между собой, их возникновение обусловлено практической деятельностью людей того времени. Почему географические широта и долгота измеряются в градусах?Географическая широта – это величина дуги меридиана от экватора до заданной точки. Из курса геометрии известно, что дуги измеряются как в линейных величинах, так и в угловых: градусах и радианах.Географическая долгота – это величина дуги параллели от нулевого меридиана до заданной точки. Видно, что географические координаты – понятие математическое. Появление алгебры, как ветви математики.В IX веке узбекский математик и астроном Мухаммед аль-Хорезми пишет трактат «Китаб аль-джебр валь-мукабала» , где дал общие правила для решения уравнений 1 степени. Слово «аль-джебр» («восстановление») означало перенос отрицательных членов уравнений из одной его части в другую с изменением знака. От него новая наука получила свое название – алгебра. Долгое время алгебра и геометрия развивались параллельно и представляли собой две ветви математики. В XIV в. французский математик Никола Орезм предложил ввести, по аналогии с географическими, координаты на плоскости. Он предложил покрыть плоскость прямоугольной сеткой и называть широтой и долготой то, что мы теперь называем абсциссой и ординатой. Это положило начало созданию метода координат и связало алгебру и геометрию. Метод координатАлгебраТочка плоскости задается парой чисел М (x;y) - алгебраический объектПрямая линия задается уравнением у=ах+вГеометрияТочка плоскости - геометрический объект Рене Декарт (1596-1650) – французский математик, философ, физик и физиолог.Декарт является одним из создателей аналитической геометрии, современной алгебраической символики, а метод задания кривой с помощью уравнения был решающим шагом к понятию функции.В математике именно ему принадлежит основная заслуга в создании метода координат, который был положен в основу аналитической геометрии. 1. Нужно отметить, что у Декарта еще не было того, что мы сегодня называем Декартовой системой координат. Декарт начал с того, что перевел на алгебраический язык задачи на построение циркулем и линейкой.2. Немалой заслугой Декарта было введение удобных обозначений, используемых сегодня: x, y, z – для неизвестных, a, b, с - для коэффициентов, а также обозначение степеней.3. В настоящее время декартовы координаты представляют собой ортогональные оси с одинаковым масштабом по всем направлениям, т.О является началом координат. Сравним системы координат в математике и географии.1. Для определения положения объекта на поверхности Земли необходимы 2 координаты: долгота и широта.2. Для определения положения точки на плоскости необходимы 2 координаты: абсцисса и ордината.3. Параллели и меридианы взаимно перпендикулярны.4. Оси OX и OY взаимно перпендикулярны.5. Для определения точки в пространстве требуется 3 – я координата:абсолютная высота (в географии); аппликата в математике.6. Экватор и нулевой меридиан делят поверхность земного шара на 4 части7. Координатные оси делят плоскость на 4 части, а пространство на 8 частей. Полярные и сферические координаты.Полярная система координат включает в себя т.О – полюс и луч – полярную ось. Каждой точке на плоскости соответствует пара чисел Р(r; ф), угол между направлением на объект и полярной осью и расстояние до объектаВ географии аналогом полярных координат является азимут. Для определения местоположения объекта требуется знать угол между направлением на предмет и направлением на север и расстояние до объекта. Сферической системой координат пользуются, если необходимо определить положение точки в пространстве.Этот метод используется в аэронавигации.С помощью радара определяют 3 координаты: кратчайшее расстояние по прямой до самолета; угол, под которым самолет виден над горизонтом;угол между направлением на самолет и направлением на север КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ КАРТАГеографияКартографияСистема координат1. Прямоугольные- географическая широта- географическая долгота- абсолютная высота2. Полярные- азимут- расстояние до объекта- абсолютная высотаМатематикаАлгебра ГеометрияМетод координат1. Прямоугольные- абсцисса- ордината- аппликата2. Полярные- угол поворота- расстояние от начала координат до точки Диаграмма Эйлера – Венна(для прямоугольных систем координат) Диаграмма Эйлера – Венна(для полярных систем координат). Выводы:1. Слова «геометрия» и «география» имеют древнегреческое происхождение и связаны с практической деятельностью людей на поверхности Земли.2. Географические широта и долгота измеряются в градусах, так как представляют собой дуги окружностей, стягивающих центральные углы, т. е. являются математическими величинами.3. И в математике, и в географии используются как прямоугольные, так и полярные координаты.4. В прямоугольных системах координат оси (экватор и нулевой меридиан, оси OX и OY) взаимно перпендикулярны и делят плоскость на 4 части: Северное, Южное, Западное и Восточное полушария в географии и I, II, III, IV квадранты. 5. Положение точки на плоскости задается 2 координатами: широтой и долготой в географии, абсциссой и ординатой в математике.6. При определении положения объекта в пространстве появляется третья координата: абсолютная высота в географии и аппликата в математике.7.Для задания полярных координат необходимы: точка отсчета, угол поворота, расстояние от полюса до заданной точки. Таким образом, понятия «координаты» в географии и математике не являются словами-омонимами. Между ними существует тесная генетическая связь. Возникнув в Древней Греции для решения практических задач того времени они трансформировались в математическое понятие, связавшее между собой алгебру и геометрию, создав новую ветвь математики. Благодаря координатному методу стало возможным решать задачи, которые не невозможно было решить методами алгебры и геометрии: описывать в виде формул кривые линии и поверхности, решать алгебраические выражения графическим путем. Метод координат используется в различных сферах деятельности человека, помогая нам определять «адреса» , интересующих нас объектов и описывать траектории их движения. Литература:1. «География. Справочные материалы». Под ред. Максаковского.-М., «Просвещение», 1989.2. Прочухаев В.Г. «Измерения в курсе математики средней школы».- М., «Просвещение», 19653. Маслов А.В. «Геодезия».- М., Недра, 19724. Знаменский М.А. «Измерительные работы на местности».- М., «Учпедгиз», 1986.5. Энциклопедический словарь юного математика. Сост. Л.П. Савин, - М., «Педагогика», 1985.6. https://www.10489.jpg7. https://www.dekart2d.gif8. https.//www.image100.jpg9. https.//www.edumedia-sciences.com10. https.//www.k08-latlon.gif СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!

Для того, чтобы использовать метод координат, надо хорошо знать формулы. Их три:

На первый взгляд, выглядит угрожающе, но достаточно немного практики - и все будет работать великолепно.

Задача. Найти косинус угла между векторами a = (4; 3; 0) и b = (0; 12; 5).

Решение. Поскольку координаты векторов нам даны, подставляем их в первую формулу:

Задача. Составить уравнение плоскости, проходящей через точки M = (2; 0; 1), N = (0; 1; 1) и K = (2; 1; 0), если известно, что она не проходит через начало координат.

Решение. Общее уравнение плоскости: Ax + By + Cz + D = 0, но, поскольку искомая плоскость не проходит через начало координат - точку (0; 0; 0) - то положим D = 1. Поскольку эта плоскость проходит через точки M, N и K, то координаты этих точек должны обращать уравнение в верное числовое равенство.

Подставим вместо x, y и z координаты точки M = (2; 0; 1). Имеем:
A · 2 + B · 0 + C · 1 + 1 = 0 ⇒ 2A + C + 1 = 0;

Аналогично, для точек N = (0; 1; 1) и K = (2; 1; 0) получим уравнения:
A · 0 + B · 1 + C · 1 + 1 = 0 ⇒ B + C + 1 = 0;
A · 2 + B · 1 + C · 0 + 1 = 0 ⇒ 2A + B + 1 = 0;

Итак, у нас есть три уравнения и три неизвестных. Составим и решим систему уравнений:

Получили, что уравнение плоскости имеет вид: − 0,25x − 0,5y − 0,5z + 1 = 0.

Задача. Плоскость задана уравнением 7x − 2y + 4z + 1 = 0. Найти координаты вектора, перпендикулярного данной плоскости.

Решение. Используя третью формулу, получаем n = (7; − 2; 4) - вот и все!

Вычисление координат векторов

А что, если в задаче нет векторов - есть только точки, лежащие на прямых, и требуется вычислить угол между этими прямыми? Все просто: зная координаты точек - начала и конца вектора - можно вычислить координаты самого вектора.

Чтобы найти координаты вектора, надо из координат его конца вычесть координаты начала.

Эта теорема одинаково работает и на плоскости, и в пространстве. Выражение «вычесть координаты» означает, что из координаты x одной точки вычитается координата x другой, затем то же самое надо сделать с координатами y и z. Вот несколько примеров:

Задача. В пространстве расположены три точки, заданные своими координатами: A = (1; 6; 3), B = (3; − 1; 7) и C = (− 4; 3; − 2). Найти координаты векторов AB, AC и BC.

Рассмотрим вектор AB: его начало находится в точке A, а конец - в точке B. Следовательно, чтобы найти его координаты, надо из координат точки B вычесть координаты точки A:
AB = (3 − 1; − 1 − 6; 7 − 3) = (2; − 7; 4).

Аналогично, начало вектора AC - все та же точка A, зато конец - точка C. Поэтому имеем:
AC = (− 4 − 1; 3 − 6; − 2 − 3) = (− 5; − 3; − 5).

Наконец, чтобы найти координаты вектора BC, надо из координат точки C вычесть координаты точки B:
BC = (− 4 − 3; 3 − (− 1); − 2 − 7) = (− 7; 4; − 9).

Ответ: AB = (2; − 7; 4); AC = (− 5; − 3; − 5); BC = (− 7; 4; − 9)

Обратите внимание на вычисление координат последнего вектора BC: очень многие ошибаются, когда работают с отрицательными числами. Это касается переменной y: у точки B координата y = − 1, а у точки C y = 3. Получаем именно 3 − (− 1) = 4, а не 3 − 1, как многие считают. Не допускайте таких глупых ошибок!

Вычисление направляющих векторов для прямых

Если вы внимательно прочитаете задачу C2, то с удивлением обнаружите, что никаких векторов там нет. Там только прямые да плоскости.

Для начала разберемся с прямыми. Здесь все просто: на любой прямой найдутся хотя бы две различные точки и, наоборот, любые две различные точки задают единственную прямую...

Кто-нибудь понял, что написано в предыдущем абзаце? Я и сам не понял, поэтому объясню проще: в задаче C2 прямые всегда задаются парой точек. Если ввести систему координат и рассмотреть вектор с началом и концом в этих точках, получим так называемый направляющий вектор для прямой:

Зачем нужен этот вектор? Дело в том, что угол между двумя прямыми - это угол между их направляющими векторами. Таким образом, мы переходим от непонятных прямых к конкретным векторам, координаты которых легко считаются. Насколько легко? Взгляните на примеры:

Задача. В кубе ABCDA 1 B 1 C 1 D 1 проведены прямые AC и BD 1 . Найдите координаты направляющих векторов этих прямых.

Поскольку длина ребер куба в условии не указана, положим AB = 1. Введем систему координат с началом в точке A и осями x, y, z, направленными вдоль прямых AB, AD и AA 1 соответственно. Единичный отрезок равен AB = 1.

Теперь найдем координаты направляющего вектора для прямой AC. Нам потребуются две точки: A = (0; 0; 0) и C = (1; 1; 0). Отсюда получаем координаты вектора AC = (1 − 0; 1 − 0; 0 − 0) = (1; 1; 0) - это и есть направляющий вектор.

Теперь разберемся с прямой BD 1 . На ней также есть две точки: B = (1; 0; 0) и D 1 = (0; 1; 1). Получаем направляющий вектор BD 1 = (0 − 1; 1 − 0; 1 − 0) = (− 1; 1; 1).

Ответ: AC = (1; 1; 0); BD 1 = (− 1; 1; 1)

Задача. В правильной треугольной призме ABCA 1 B 1 C 1 , все ребра которой равны 1, проведены прямые AB 1 и AC 1 . Найдите координаты направляющих векторов этих прямых.

Введем систему координат: начало в точке A, ось x совпадает с AB, ось z совпадает с AA 1 , ось y образует с осью x плоскость OXY, которая совпадает с плоскостью ABC.

Для начала разберемся с прямой AB 1 . Тут все просто: у нас есть точки A = (0; 0; 0) и B 1 = (1; 0; 1). Получаем направляющий вектор AB 1 = (1 − 0; 0 − 0; 1 − 0) = (1; 0; 1).

Теперь найдем направляющий вектор для AC 1 . Все то же самое - единственное отличие в том, что у точки C 1 иррациональные координаты. Итак, A = (0; 0; 0), поэтому имеем:

Ответ: AB 1 = (1; 0; 1);

Небольшое, но очень важное замечание насчет последнего примера. Если начало вектора совпадает с началом координат, вычисления резко упрощаются: координаты вектора просто равны координатам конца. К сожалению, это верно лишь для векторов. Например, при работе с плоскостями присутствие на них начала координат только усложняет выкладки.

Вычисление нормальных векторов для плоскостей

Нормальные векторы - это не те векторы, у которых все в порядке, или которые чувствуют себя хорошо. По определению, нормальный вектор (нормаль) к плоскости - это вектор, перпендикулярный данной плоскости.

Другими словами, нормаль - это вектор, перпендикулярный любому вектору в данной плоскости. Наверняка вы встречали такое определение - правда, вместо векторов речь шла о прямых. Однако чуть выше было показано, что в задаче C2 можно оперировать любым удобным объектом - хоть прямой, хоть вектором.

Еще раз напомню, что всякая плоскость задается в пространстве уравнением Ax + By + Cz + D = 0, где A, B, C и D - некоторые коэффициенты. Не умаляя общности решения, можно полагать D = 1, если плоскость не проходит через начало координат, или D = 0, если все-таки проходит. В любом случае, координаты нормального вектора к этой плоскости равны n = (A; B; C).

Итак, плоскость тоже можно успешно заменить вектором - той самой нормалью. Всякая плоскость задается в пространстве тремя точками. Как найти уравнение плоскости (а следовательно - и нормали), мы уже обсуждали в самом начале статьи. Однако этот процесс у многих вызывает проблемы, поэтому приведу еще парочку примеров:

Задача. В кубе ABCDA 1 B 1 C 1 D 1 проведено сечение A 1 BC 1 . Найти нормальный вектор для плоскости этого сечения, если начало координат находится в точке A, а оси x, y и z совпадают с ребрами AB, AD и AA 1 соответственно.

Поскольку плоскость не проходит через начало координат, ее уравнение выглядит так: Ax + By + Cz + 1 = 0, т.е. коэффициент D = 1. Поскольку эта плоскость проходит через точки A 1 , B и C 1 , то координаты этих точек обращают уравнение плоскости в верное числовое равенство.

A · 0 + B · 0 + C · 1 + 1 = 0 ⇒ C + 1 = 0 ⇒ C = − 1;

Аналогично, для точек B = (1; 0; 0) и C 1 = (1; 1; 1) получим уравнения:
A · 1 + B · 0 + C · 0 + 1 = 0 ⇒ A + 1 = 0 ⇒ A = − 1;
A · 1 + B · 1 + C · 1 + 1 = 0 ⇒ A + B + C + 1 = 0;

Но коэффициенты A = − 1 и C = − 1 нам уже известны, поэтому остается найти коэффициент B:
B = − 1 − A − C = − 1 + 1 + 1 = 1.

Получаем уравнение плоскости: − A + B − C + 1 = 0, Следовательно, координаты нормального вектора равны n = (− 1; 1; − 1).

Задача. В кубе ABCDA 1 B 1 C 1 D 1 проведено сечение AA 1 C 1 C. Найти нормальный вектор для плоскости этого сечения, если начало координат находится в точке A, а оси x, y и z совпадают с ребрами AB, AD и AA 1 соответственно.

В данном случае плоскость проходит через начало координат, поэтому коэффициент D = 0, а уравнение плоскости выглядит так: Ax + By + Cz = 0. Поскольку плоскость проходит через точки A 1 и C, координаты этих точек обращают уравнение плоскости в верное числовое равенство.

Подставим вместо x, y и z координаты точки A 1 = (0; 0; 1). Имеем:
A · 0 + B · 0 + C · 1 = 0 ⇒ C = 0;

Аналогично, для точки C = (1; 1; 0) получим уравнение:
A · 1 + B · 1 + C · 0 = 0 ⇒ A + B = 0 ⇒ A = − B;

Положим B = 1. Тогда A = − B = − 1, и уравнение всей плоскости имеет вид: − A + B = 0, Следовательно, координаты нормального вектора равны n = (− 1; 1; 0).

Вообще говоря, в приведенных задачах надо составлять систему уравнений и решать ее. Получится три уравнения и три переменных, но во втором случае одна из них будет свободной, т.е. принимать произвольные значения. Именно поэтому мы вправе положить B = 1 - без ущерба для общности решения и правильности ответа.

Очень часто в задаче C2 требуется работать с точками, которые делят отрезок пополам. Координаты таких точек легко считаются, если известны координаты концов отрезка.

Итак, пусть отрезок задан своими концами - точками A = (x a ; y a ; z a) и B = (x b ; y b ; z b). Тогда координаты середины отрезка - обозначим ее точкой H - можно найти по формуле:

Другими словами, координаты середины отрезка - это среднее арифметическое координат его концов.

Задача. Единичный куб ABCDA 1 B 1 C 1 D 1 помещен в систему координат так, что оси x, y и z направлены вдоль ребер AB, AD и AA 1 соответственно, а начало координат совпадает с точкой A. Точка K - середина ребра A 1 B 1 . Найдите координаты этой точки.

Поскольку точка K - середина отрезка A 1 B 1 , ее координаты равных среднему арифметическому координат концов. Запишем координаты концов: A 1 = (0; 0; 1) и B 1 = (1; 0; 1). Теперь найдем координаты точки K:

Задача. Единичный куб ABCDA 1 B 1 C 1 D 1 помещен в систему координат так, что оси x, y и z направлены вдоль ребер AB, AD и AA 1 соответственно, а начало координат совпадает с точкой A. Найдите координаты точки L, в которой пересекаются диагонали квадрата A 1 B 1 C 1 D 1 .

Из курса планиметрии известно, что точка пересечения диагоналей квадрата равноудалена от всех его вершин. В частности, A 1 L = C 1 L, т.е. точка L - это середина отрезка A 1 C 1 . Но A 1 = (0; 0; 1), C 1 = (1; 1; 1), поэтому имеем:

Ответ : L = (0,5; 0,5; 1)