Процесс обучения математике на факультативных занятиях в классах основной школы

В Древней Греции были школы, в которых будущие купцы и ремесленники обучались математическим сведениям, необходимых для их предстоящей повседневной деятельности, как выражался Платон «для бытных нужд». Также существовали и такие школы, в которых математика излагалась как система научных знаний, логически выводимых из некоторых первичных положений, принимаемых за истинные, из аксиом. Древнегреческим философам был известен афоризм: «Не знающий геометрии не допускается», который, как говорят, принадлежал знаменитому Платону, повесившему его на дверях своей школы.

2.1 Евклидовы «Начала»

В течение двух тысяч лет геометрию узнавали из «Начал» Евклида, либо из учебников, написанных не основе этой книги. Лишь профессиональные математики обращались к трудам других великих греческих геометров: Архимеда, Апполония - и геометров более позднего времени. Классическую геометрию стали называть евклидовой в отличие от появившихся в Х1Х веке «неевклидовых геометрий».

Об этом поразительном человеке история сохранила настолько мало сведений, что нередко высказываются сомнения в самом его существовании. Что же дошло до нас: Каталог греческих геометров Прокла Диадоха Византийского, жившего в V веке нашей эры, - первый серьезный источник сведений о греческой геометрии. Из каталога следует, что Евклид был современником царя Птолемея, который царствовал с 306 до 283г. до нашей эры. Евклид должен быть старше Архимеда, который ссылался на «Начала». До нашего времени дошли сведения, что он преподавал в Александрии столице Птолемея 1, начинавшийся превращаться в один из центров научной жизни. Евклид был последователем древнегреческого философа Платона, и преподавал он, вероятно, четыре науки, которые должны предшествовать занятиям философией: арифметику, геометрию, теорию гармонии, астрономию. Кроме «Начал» до нас дошли книги Евклида, посвященные гармонии и астрономии.

Что касается места Евклида в науке, то оно определяется не столько собственными его научными исследованиями, сколько педагогическими заслугами. Евклиду приписывается несколько теорем и новых доказательств, но их значение не может быть сравнимо с достижениями великих греческих геометров: Фалеса и Пифагора, Евджокса и Тиэтета.

Величайшая заслуга Евклида в том, что он подвел итог построению геометрии и придал изложению столь совершенную форму, что на две тысячи лет «Начала» стали энциклопедией геометрии.

В период возрождения европейской математики (XVI в.) «Начала» изучали и воссоздавали заново. Логическое построение «Начал», аксиоматика Евклида воспринималась математиками как нечто безупречное до Х1Х века, когда начался период критического отношения к достигнутому, который закончился новой аксиоматикой евклидовой геометрии - аксиоматикой Д. Гильберта. Изложение геометрии в началах считалось образцом, которому стремились следовать ученые и за пределами математики.

Именно в Древней Греции появились знаменитые «Начала» Евклида, (Евклид жил и работал приблизительно две тысячи двести лет назад), где отдельные осмысленные факты были объединены в общую логическую систему.

Евклид был выдающейся личностью. Помимо «Начал» у этого мыслителя имеется много других трудов, но все же самым крупным вкладом в математику были его «Начала». До Евклида занимались подбором и обобщением фактов многие мыслители. Наиболее ранним сочинением такого рода считается книга Гиппократа Хиосского (IV в. до н.э.). Однако основы теории Евклида по своему содержанию, по глубине мысли заметно отличались, и книга Гиппократа, как впрочем, труды других мыслителей прошлого не шла в сравнение с «Началами». Как писал Прокл (V в.), Евклид многое взял от Евдокса (408-350 гг. до н.э.: ученик Платона), многое усовершенствовал в трудах Теэтета (415-369 гг. до н.э.: группа Платона) и затем, проанализировав труды своих предшественников, возвысился до создания невиданной по тем временам точно обоснованной теории.

Теория Евклида удивляет и сложным построением, и четкостью мысли, и живостью изложения. Это - первый образец построения научной системы. Теория Евклида оказала большое влияние на формирование науки в Греции, став фундаментом развития таких областей знания, как математика, философия и другие, тем культурным наследием, которое считается гордостью греческой нации.

Египтяне, например Пифагор (ок. 600-500 гг. до н.э.), использовали свойства прямоугольных треугольников со сторонами 3,4,5. По скудным сведениям, дошедшим до нас, Пифагор, покинув свой родной остров Самос, некоторое время жил в Египте [Мацуо Камацо. Многообразие геометрии: «Знание», 1981, стр.13].

Таким образом, уже в те далекие времена люди владели различными познаниями в области геометрии, но они не были в состоянии свести их в единую систему. Фалес (примерно 600 г.до н.э.) путешествуя по Египту, познакомился с местными методами измерений и, вернувшись в Грецию, рассказал о них своим соотечественникам. У него были и собственные исследования: в современных школьных курсах математики есть теорема Фалеса. И, только Пифагор, дав доказательство своей теоремы, тем самым отделил геометрию от искусства измерения. К возникшей впоследствии школе Пифагора принадлежали многие ученые, среди которых выделялся Гиппократ Хиосский. Именно он составил систематическое изложение основ геометрии.

Затем наступила эпоха многочисленных геометрических исследований знаменитой платоновской Академии. Платон (427-347гг. до н.э.) наряду с философией серьезное внимание уделял геометрии. Евклид был моложе учеников Платона, но старше Архимеда (ок.287-212 гг. до н.э.), так как был платоником и хорошо знал философию Платона (именно поэтому он закончил «Начала» изложением так называемых Платоновых тел, т.е. пяти правильных многогранников), а с другой стороны его имя упоминается в первом из двух писем Архимеда к Досифею «О шаре и цилиндре».

Евклид жил в Александрии примерно 365 до 300 г. до нашей эры.

Евклид при написании «Начал» не использовал слова «геометрия», но оно, как известно, в то время применялось довольно широко. Его «Начала» представляют собой полное и систематическое изложение основ геометрии. Они состоят из 13 книг, причем не все книги посвящены геометрии: в пятой, седьмой, восьмой девятой и десятой книгах рассматриваются вопросы арифметики. В остальных восьми книгах излагаются основы геометрии.

Открываются «Начала» определениями основных понятий и формулировками некоторых основных положений геометрии, которые принимаются без доказательств.

Далее идут в строгой последовательности «предложения», которые являются теоремами или задачами на построение. Каждая книга «Начал» имеет ту же структуру.

В первую книгу входят теоремы о равенстве треугольников, соотношениях между сторонами и углами треугольников, теории параллельных линий, условия равновеликости треугольников и многоугольников, теорема Пифагора. Во второй книге рассматривается превращение многоугольников в равновеликий квадрат. Третья книга посвящена изучению свойств окружности, четвертая - вписанным и описанным многоугольникам, шестая - подобным фигурам. Наконец, в последних трех книгах излагается стереометрия, которая заканчивается построением циркулем и линейкой ребер правильных многогранников.

Первая книга, как уже было сказано, начинается с определений. Вот некоторые из них:

Определение 1. Точка есть то, часть чего есть ничто.

Определение 2. Линия есть длина без ширины.

Определение 4. Прямая есть такая линия, которая одинаково расположена по отношению ко всем своим точкам и т. д. Всего подряд 23 определения.

Теория Евклида опирается на ряд определений и аксиом. Исходной точкой его логической системы является положение о том, что выдвигаемые им постулаты очевидны, их справедливость признается всеми несомненной.

Имеется пять постулатов:

a. Через две точки проходит единственная прямая.

b. Ограниченную прямую линию можно непрерывно продолжать.

c. Из любой точки как из центра можно описать окружность любого радиуса.

d. Все прямые углы равны между собой.

e. Всякий раз, когда прямая при пересечении с двумя другими прямыми образует с ними внутренние односторонние углы, сумма которых меньше двух прямых углов, эти прямые пересекаются и при том с той стороны, с которой эта сумма меньше двух прямых.

Пятый постулат известен как постулат о параллельных прямых.

Евклид приводит также девять аксиом, представляющих собой общие положения.

Теоремы геометрии, изложенные Евклидом, располагаются в такой последовательности, чтобы каждую теорему можно было доказать, используя предыдущие теоремы, постулаты, аксиомы.

Перечисление определений и аксиом, которые достаточны для проведения логического доказательства всех следующих за ними теорем геометрии, принято называть обоснованием геометрии.

Таким образом, «Начала» Евклида - первый, дошедший до нас труд по обоснованной геометрии, и в этом огромная историческая заслуга античного геометра перед наукой. «Начала» Евклида не потеряли своей ценности и поныне, несмотря на то, что со дня появления их прошло более 2000лет.

Благодаря, в первую очередь, трудам выдающегося русского математика Н.И. Лобачевского было установлено, что евклидова геометрия не является единственно возможной. 23 февраля 1826 года на заседании физико-математического отделения Казанского университета Н.И. Лобачевский сделал доклад «Сокращенное изложение начал геометрии с точным доказательством теоремы о параллельных». По образному выражению А.П. Котельникова, это было днем рождения неевклидовой геометрии.

Большая заслуга в расширении представлений о геометрических пространствах принадлежит математику Х1Х века Б..Риману. Он открыл, параллельно с Лобачевским, способ построения бесконечно многих» геометрий», которые локально, «в малом» устроены почти так же, как и евклидова геометрия, но обладают кривизной. К. Гаусс, обогативший математику замечательными открытиями, ушел после доклада Римана: глубоко задумавшись, над ошеломляющими его новыми геометрическими идеями. Карл Гаусс сразу оценил новые идеи, разобрался в них, понял, но сказать в слух не решался.

Он добился избрания Н. И. Лобачевского в члены Геттенского ученого общества, но своего отношения к новой науке не высказал. Он был прозорлив в науке, но осторожен в жизни. Только после смерти из дневников и писем узнали, как высоко ценил Гаусс гениальное творение Лобачевского.

2.2 Джованни Чева

Третьего марта 1648 года в Милане родился будущий итальянский инженер и математик Джованни Чева.

Окончил Пизанский университет. Основные работы по механике, гидравлике и математике.

В 1678 году Джованни Чева доказал теорему о соотношении отрезков некоторых прямых, пересекающих треугольник (Теорема Чевы). Построил учение о секущих, которое положило начало синтетической геометрии: оно изложено в сочинении «О взаимно пересекающихся прямых». Прежде чем сформулировать теорему расшифруем используемое в ней понятие «чевиана» - отрезок, соединяющий вершину треугольника с некоторой точкой на противоположной стороне

Эта теорема гласит: если три чевианы пересекаются в одной точке, то отношения, в которых их основания делят стороны треугольника, удовлетворяют равенство:

.

И теорема обратная: Если точки X, Y, Z на прямых, ограничивающих треугольник АВС, удовлетворяют условию Чевы, причём собственно на его сторонах лежат все три либо ровно одна из них, то соответствующие чевианы пересекаются в одной точке или параллельны.

13 декабря 1734 года Джованни Чева скончался в городе Мантуя, в Италии.

Простейший из многоугольников - треугольник - играет в геометрии особую роль. Без преувеличения можно сказать, что вся (или почти вся) геометрия со времен «Начал» Евклида покоится на «трех китах» - трех признаках равенства треугольников. За несколько тысячелетий геометры столь подробно изучили треугольник, что иногда говорят о «геометрии треугольника». Как о самостоятельном разделе элементарной геометрии.

2.3 Леонард Эйлер

В Базеле на берегу Рейна 15 апреля 1707 года в семье ученого-теолога Пауля Эйлера родился сын, названный Леонардом. Состав семьи пастора вскоре вырос до шести душ, семья располагала только одной жилой комнатой и отцовским кабинетом. Благодаря мягкому климату члены семьи большую часть времени проводили под открытым небом.

Начальное обучение будущий ученый прошел дома под руководством отца, учившегося некогда математике у Якоба Бернулли. Добрый пастор готовил старшего сына к духовной карьере, однако занимался с ним математикой для развития логического мышления. Мальчик увлекся математикой.

Когда у Леонарда появился интерес к учебе, его направили в базельскую латинскую гимназию - под надзор бабушки, вдовы госпитального священника. В те годы гимназия была в плохом состоянии: грубые и малоквалифицированные учителя, с одной стороны, и запущенные ученики - с другой, портили жизнь друг другу. Разумеется, серьезных знаний эта гимназия дать не могла.

Но чиновничья карьера требовала получение аттестата, знания некоторых разделов математики: поэтому многим брали репетиторов. У Леонарда тоже появился частный учитель - Иоганн Буркгардт, впоследствии небезызвестный математик и теолог, который сразу же предсказал своему ученику блестящее будущее.

20 октября 1720 года 13-летний Леонард Эйлер стал студентом факультета искусств Базельского университета: отец желал, чтобы он стал священником. Но любовь к математике, блестящая память и отличная работоспособность сына изменили эти намерения и направили Леонарда по иному пути.

Леонард Эйлер давно интересовался математикой. Теперь, став студентом, он благодаря своей блестящей памяти легко усваивал учебные предметы, отдавая основное время математике. И немудрено, что способный мальчик обратил на себя внимание Бернулли.

В то время не существовало учебников по высшей математике, а заниматься с Леонардом индивидуально Бернулли не имел времени. И он нашел единственно правильный метод, который очень высоко оценил впоследствии сам Эйлер: предложил юноше читать математические мемуары, а по субботам приходить к нему домой, чтобы совместно разбирать непонятные вопросы.

В доме своего учителя Эйлер познакомился и подружился с сыновьями Бернулли - Николаем и Даниилом, также увлеченно занимавшимися математикой. А 8 июня 1724 года 17-летний Леонард Эйлер произнес по- латыни великолепную речь о сравнении философских воззрений Декарта и Ньютона - и был удостоен ученой степени магистра(в Х1Х веке в большинстве университетов Западной Европы ученая степень магистра была заменена степенью доктора философии).

Небольшая по численности населения Швейцария, готовила гораздо больше образованных людей, чем могла содержать и обеспечить службой. Да и во всей Западной Европе спрос на ученых был невелик. Ни Эйлер, ни его друзья братья Бернулли не могли найти приложения своим силам. Однако у братьев было достаточно известное ученым Европы имя, служившее им лучшей рекомендацией, - и вскоре обоих пригласили во вновь создаваемую в Петербурге Академию наук.

«Я возымел неописуемое желание, - пишет Эйлер в автобиографии, - отправиться вместе с ними в 1725г. в Петербург. Однако дело не могло быть тогда осуществлено».

В последующие два года юный Эйлер написал несколько научных работ. Объявленный конкурс, Парижской Академией, на оптимальное решение количества, высоты и расположения мачт, выиграл всем не известный юноша из Базеля, откуда «хоть три года скачи, ни до какого моря не доскачешь». По существу проблемы нужно было представить себе корабль - парусник.

Эйлер был молод и полон энергии. Ни в магистрате, ни в университете он не мог найти применения своим силам и способностям. 5 апреля 1727 года Эйлер навсегда покидает Швейцарию, отправляясь в далекий Петербург по приглашению «Ее Императорского величества» и рекомендации братьев Бернулли.

Петербургская Академия с самого сначала своего существования была государственным учреждением, цели и задачи ее определялись потребностями государства, научные достижения широко публиковались в изданиях Академии.

В августе 1727 года молодой ученый уже читал в Академии свой первый доклад «О количестве истекающей из отверстия воды». Со следующего года ни один том трудов Академии не выходил без нескольких сочинений Эйлера по математике, механике, физике.

В уставе Академии содержалось требование, чтобы, «не только слава государства для размножения наук…. Распространялась, но и через обучение и распространение оных польза в народе была». Из числа учеников Эйлера в русской науке успешно работали В. Адуров, С. Котельников, С. Румовский, М. Сафронов, М. Головин, а позднее также А. Лексель, Ф. Шуберт и другие. С августа 1728года по 1736 год молодой ученый издал 11 трудов по математике в «Трудах Академии».

За первые 14 лет пребывания в Петербурге он написал более 80 крупных научных работ, более 50 работ из которых тогда же были опубликованы.

Ему часто давались поручения по практическим проблемам. Он читал лекции студентам академического университета, принимал экзамены в Кадетском корпусе, занимался вопросами пожарных насосов и механических пил, работал в Комиссии мер и весов, в Географическом департаменте. Не ограничиваясь чисто математической частью, он непосредственно занялся картографией и сам вычертил немало карт, испортив при этом зрение.

«Стараниями Гейнзисуса и Винсгейма, под руководством бессмертного Эйлера, составлен был, наконец, и издан в 1745году тот превосходный атлас империи, который был в общем употреблении…» писал сто с лишним лет спустя директор Пулковской обсерватории академик О.В. Струве. Впрочем, ценность и важность выполненной работы понимал и сам Эйлер.

Академия обратилась к своим членам с просьбой: составить руководства для первоначального обучения наукам. И Эйлер, не считаясь со временем, составил на немецком языке прекрасное «Руководство к арифметике», которое вскоре было переведено на русский язык и сослужило добрую службу многим учащимся. Перевод первой части выполнил в 1740году русский адъюнкт Академии, ученик Эйлера Василий Адуров. На русском языке это было первым изложением арифметики как математической науки.

В 1730 году на русский престол вступила Анна Иоанновна, страной фактически стали править ее приближенные. Поползли слухи о скором закрытии Академии.

Адмирал Сиверс, начальник русского флота, понимая, какую пользу может принести флоту способный ученый-математик, выхлопотал Эйлеру чин лейтенанта и обещал немедленное продвижение по службе. И 23-х летний Эйлер, готов был принять это предложение.

Однако Академия продолжала существовать. Правда, делами ее правил теперь Иоганн-Даниил Шумахер, тщеславный карьерист, но к Эйлеру относившийся с большим уважением. Многие ученые терпеть не могли Шумахера и, не чувствуя поддержки, стали покидать Россию. В 1733 году Д. Бернулли покинул Россию, Эйлер стал академиком и профессором чистой математики.

В один из последних дней 1733 года 26-летний Леонард Эйлер женился на дочери живописца Екатерине Гзель, которой в это время тоже было 26 лет. Вся Академия сердечно поздравляет молодоженов.

Оказывается, великий математик может не только вычислять и анализировать, он не чужд и мирской жизни. Молодоженами преподнесли сочиненные к случаю стихи.

В 1735 году Академия получила задание выполнить срочное и очень громоздкое астрономическое вычисление. Группа академиков просила на эту работу 3 месяца, а Эйлер взялся за эту работу и выполнил ее за три дня - справился самостоятельно. Перенапряжение не прошло бесследно, он заболел и потерял зрение на правый глаз. Однако ученый отнесся к несчастью с величайшим спокойствием: «Теперь я меньше буду отвлекаться от занятий математикой», - философски заметил он. До этого времени Эйлер был известен узкому кругу ученых. Но двухтомное сочинение «Механика, или наука о движении, в аналитическом изложении», изданное в 1736году, принесло ему мировую славу. Эйлер блестяще применял методы математического анализа к решению проблем движения в пустоте и в сопротивляющейся среде. Применение аналитического метода позволило упростить многие проблемы механики и привело к новым открытиям.

Обстоятельства ухудшились, когда в 1740 году умерла императрица Анна Иоанновна. Сложилась неустойчивая политическая обстановка, которую особенно почувствовали иностранцы. Поэтому Эйлер принял предложение прусского короля, который приглашал его в Берлинскую Академию на весьма выгодных условиях.

В соответствии с поданным прошением Эйлер «был отпущен от Академии в 1741 году», и утвержден почетным академиком. Он обещал по мере своих сил помогать Петербургской Академии - и действительно помогал весьма существенно все 25 лет, пока не вернулся в Россию обратно.

В феврале 1748 года Эйлер писал Гольдбаху, что доказал теорему, которая кажется любопытной.

Школьникам старших классов известно, что сумма квадратов диагоналей параллелограмма равна сумме квадратов его сторон. Эйлер доказал, что в четырехугольнике, не являющемся параллелограммом, вторая сумма всегда больше первой.

.

В Берлинской Академии было издано двухтомное «Введение в анализ бесконечных», которое содержало не столько анализ, сколько алгебру, аналитическую геометрию и другие вопросы. Главной идеей сочинения было учение о функциях и обоснование важнейшей роли этого понятия в математике и ее приложениях. С появлением этих книг математический анализ становится методически разработанной учебной дисциплиной.

В 1766 году Эйлер возвращается в Петербург, к этому времени у него образовалась катаракта второго, левого глаза - и он перестал видеть. Приехавший с ним из Берлина мальчик-портной, понятия не имевший о математике, писал под его диктовку по-немецки. И Эйлер очень быстро продиктовал ему свои «Элементы алгебры», которые были сразу же переведены П. Иноходцевым и Юдиным на русский язык и вышли в двух томах в 1768 и 1769 гг. под названием «Универсальная арифметика».

Трудно даже перечислить все отрасли науки, в которых весьма успешно трудился Эйлер. Но в первую очередь он был математиком. Его сочинения по механике, физике, астрономии большей частью представляют собой математическую формулировку и математическое решение прикладных проблем.

В последние годы жизни ученый продолжал усердно работать, пользуясь для чтения «глазами старшего сына» и ряда своих учеников: Н. Фусса, М. Головина (племянника М. В. Ломоносова), Ф. Шуберта и других.

В 1783г. ученый стал ощущать головные боли и слабость. 18сентября, беседуя с А.И. Лекселем об открытой недавно планете Уран и ее орбите, он почувствовал себя плохо. Эйлер успел произнести «Я умираю» - и потерял сознание. Он скончался от кровоизлияния в мозг.

По образному выражению французского ученого Кондорсе, «Эйлер перестал жить и вычислять». Его похоронили на Смоленском кладбище в Петербурге.

Через несколько дней после смерти Эйлера состоялось траурное заседание конференции Академии. В начале 1785года в зале заседаний Академии против президентского кресла был укреплен бюст Эйлера на мраморной колонне. После переезда Президиума Академии наук СССР в Москву, этот бюст этот бюст установлен в одном из московских залов Президиума Академии.

Эйлер привил любовь к математике и своим трем сыновьям. Наиболее способным был старший сын Иоганнн Альбрехт - однако, и он главным образом разрабатывал идеи отца.

Учеными секретарями Санкт-Петербургской Академии наук в течение целого века были потомки и родственники Эйлера.

П. Эйлер - правнук великого математика, Д, Аламбер и Лагранж образовали замечательный математический триумвират конца 18 века. В это время уже жили на свете Лаплас, Лежандр, Монж, Фурье, Пуассон, но они еще ничего не успели сделать для науки. Коши еще не родился. Будущему «королю математики» Карлу Фридриху Гауссу в момент смерти Эйлера едва минуло 6 лет. Правда, о нем говорили, что уже в этом возрасте он «умел считать лучше, чем говорить».

2.4 Карл Фридрих Гаусс

В Броауншвейге 30 апреля 1777 года родился будущий великий математик. Сын водопроводчика в 1795 году поступил в Геттингенский университет, который с успехом закончил в 1798 году.

В 1799 году Карл Фридрих получил доцентуру в Брауншвейге, а в 1807 году кафедру математики и астрономии в Геттингенском университете.

Немецкий математик, внесший фундаментальный вклад также в астрономию и геодезию, иностранный член - корреспондент (1802) и иностранный, почетный член (1824) Петербургской Академии наук.

Отличительными чертами творчества Гаусса являются глубокая органическая связь в его исследованиях между теоретической и прикладной математикой, необычайная широта проблематики. Работы Гаусса оказали большое влияние на развитие алгебры, теории чисел, дифференциальной геометрии. Во многих областях математические труды Гаусса содействовали повышению требований к логической отчетливости доказательств, однако сам Гаусс оставался в стороне от работ по строгому обоснованию математического анализа.

Первое крупное сочинение по теории чисел и высшей алгебре («Арифметические исследования», 1801) во многом предопределило дальнейшее развитие этих дисциплин. В конце книги излагается теория уравнений деления круга (то есть уравнений Хⁿ - 1 =0), которая во многом была прообразом теории Галуа. Помимо общих методов решения этих уравнений Гаусс установил связь между ними и построением правильных многоугольников. Он, впервые после древнегреческих ученых, сделал значительный шаг вперед в этом вопросе, а именно: Гаусс нашел все значения n, для которых правильный n-угольник можно построить циркулем и линейкой. В частности, решив уравнение Х17 - 1 = 0, он дал построение правильного 17-угольника при помощи циркуля и линейки. Гаусс придавал этому открытию большое значение и завещал выгравировать правильный 17- угольник, вписанный в круг, на своем надгробном памятнике, что и было исполнено. Алгебраические интересы Гаусса связаны с основной теоремой алгебры: он дал несколько ее доказательств - первое из них в 1799г. В 1801 немецкий ученый доказал, что всякое натуральное число представимо в виде суммы не более трех треугольных чисел (числа - числа последовательности).

;

;

;

…

Обобщением треугольных чисел являются многоугольные (к-угольные) числа.

В 19 веке роль математической символики возрастает, Гаусс вводит математический знак отношений, например, сравнимости «(mod а)».

Замечательное приложение нашла геометрия в начале 19 века. С ее помощью было измерено все вокруг. В частности, наша Земля. Проблемы геодезии были самыми актуальными проблемами в прикладной математике особенно в первой трети столетия.

Изучение формы земной поверхности потребовало углубленного общего геометрического метода для исследования поверхностей. Выдвинутые Гауссом в этой области идеи получили выражение в сочинении «Общие исследования о кривых поверхностях» (1827). Руководящая мысль этого сочинения заключается в том, что при изучении поверхности как бесконечно тонкой гибкой пленки основное значение имеет не уравнение поверхности в декартовых координатах, а дифференциальная квадратичная форма, через которую выражается квадрат элемента длины и инвариантами которой является все собственные свойства поверхности - прежде всего ее кривизна в каждой точке.

В 1855 году 23 февраля великого ученого не стало. Похоронен Карл Фридрих Гаусс в Геттенгене.

Очень многие исследования Гаусса остались неопубликованными и в виде очерков, незаконченных работ, переписки с друзьями входят в его научное наследие. Вплоть до 2ой мировой войны 1939-1945 оно тщательно разрабатывалось Геттенгенским ученым обществом, которое издало 12 томов сочинений Гаусса.

Наиболее интересными в этом наследии являются дневник Гаусса и материалы по неевклидовой геометрии и теории элиптических функций. Дневник содержит 146 записей, относящихся к периоду от 30 марта 1796, когда 19-летний Гаусс отметил открытие построения правильного 17-угольника, по 9июля 1814.

Материалы, относящиеся к неевклидовой геометрии, обнаруживают, что Гаусс пришел к мысли о возможности построения наряду с евклидовой геометрией и геометрии неевклидовой в 1818. Опасение, что эти идеи не будут поняты, было причиной того, что Гаусс их не разрабатывал далее и не опубликовывал. Когда вне всякого отношения к этим попыткам Гаусса, неевклидова геометрия была построена и опубликована российским ученым Н.И. Лобачевским, Гаусс был инициатором избрания его членом - корреспондентом Геттенгенского ученого общества, но своей оценки великого открытия не дал.

2.5 Янош Больяй

В семье венгерского математика Фаркаша Больяй родился сын Янош 15 декабря 1802 года в местечке Коловожар, ныне Клуж Напока.

С детских лет сын мечтал продолжить работу отца, который занимался проблемами геометрии, пытался доказать пятый постулат Евклида.

Еще будучи студентом Военно-инженерной академии в Вене, стал заниматься доказательством постулата о параллельных линиях. По окончании академии Янош Больяй продолжает усиленно работать в том же направлении. Обработав свои исследования, издал их в 1832году в виде приложения («Аппендикс») к 1-му тому сочинений своего отца.

Изложение «Аппендикса» отличается крайней сложностью и схематичностью, но по продуманности каждого слова и обозначения, «Аппендикс» принадлежит к числу наиболее совершенных произведений математической литературы.. «Аппендикс» - приложение, содержащее науку о пространстве, абсолютно истинную, не зависящую от истинности или ложности Х1 аксиомы Евклида.

Один из творцов неевклидовой геометрии Больяй Янош, не получил признания при жизни, что отразилось на его психике. Скончался Янош Больяй 27 января 1860 года в больнице в Марошвангархей (Тиргу-Муран).

2.6 Якоб Штейнер

Якоб Штейнер родился в 1796 году в Швейцарии в семье крестьянина. В молодости был пастухом. Грамоте Якоб научился лишь в возрасте 19 лет в школе своего знаменитого соотечественника, педагога - демократа Иоганна Генриха Песталоцци (1746-1827).

В общей педагогической системе Песталоцци геометрия как учение о формах занимала особо важное место: ей придавалось исключительное значение в деле общего образования и развития мыслительной деятельности учащихся.

Идеи Песталоцци оказали большое влияние на Штейнера и в дальнейшем склонили его к занятиям синтетической проективной геометрией. Впоследствии, будучи уже членом Берлинской Академии наук, Штейнер в предисловии к важнейшей своей работе «Систематическое развитие зависимости геометрических образов друг от друга» (ч.1, 1896) писал: «Предлагаемое произведение пытается вскрыть тот механизм, которым связаны друг с другом разные разнообразнейшие явления в пространстве. Существует весьма ограниченное количество весьма простых основных соотношений, выражающих ту схему, по которой остальная масса предложений развивается последовательно и без всяких затруднений. Посредством надлежащего усвоения этих немногих основных соотношений делаешься хозяином всего предмета: порядок заступает место хаоса, и видишь, как все части, естественно опираются друг на друга, располагаются в прекрасном порядке и соединяются в удачно ограниченные группы. Таким образом, удается овладеть теми элементами, из которых исходит природа, чтобы с возможной экономией и простейшим образом придать фигурам несчетное множество свойств».

В 1833 году Штейнер охотно изучал построения различными неклассическими средствами. Рассматривались, в частности, построения с помощью двухсторонней линейки, (иными словами разрешалось пользоваться двумя краями линейки), или угольником - прямого угла. Угольник можно было расположить так, что бы его края проходили через данные точки, а вершина попадали на данную линию. Каждое из этих замысловатых приспособлений заменяют циркуль и линейку, причем позволяют получить более простые решения. Если на плоскости нарисован круг с отмеченным центром, выполненный циркулем, то любое построение можно осуществить только линейкой. Другими словами, если задачу можно решить с помощью циркуля и линейки, циркуль достаточно применять только раз. Позднее оказалось, что и от окружности достаточно иметь любую самую малую дугу и центр.

В истории математики С. Л. Лемус остался исключительно потому, что в 1840 году он обратился к Я. Штйнеру с просьбой дать геометрическое доказательство одного из признаков равнобедренного треугольника. В последующем эта теорема получила название - Теорема Штейнера-Лемуса.

Если в равнобедренном треугольнике равны две медианы или две высоты, или две биссектрисы, то такой треугольник равнобедренный.

Первые два признака доказываются просто. Однако последний или теорема о том, что треугольник имеющий две равные биссектрисы является равнобедренным доказать довольно сложно - это теорема Штейнера-Лемуса.

Если на плоскости нарисован круг с отмеченным центром. То любое построение выполняемое циркулем и линейкой можно выполнить только линейкой, что было доказано в 1833 году Штейнером.

Показано два построения такого рода из точки А проведены касательные к кругу и перпендикуляр к его диаметру (в этих построениях центр круга не нужен) другими словами, если задачу можно решить с помощью циркуля и линейки.

В отличие от теоремы Ферма-Торричели, Штейнер рассматривал ту же проблему в несколько общем виде: он пытался найти кратчайшую сеть дорог, соединяющую три пункта.

Оказывается, что такая сеть должна состоять из трех сходящихся в одной точке прямолинейных дорог, причем, одна из этих дорог может сжаться в точку (как в задаче Ферма).

В такой формулировке, но уже для произвольного числа пунктов, задача приобретает и чисто практическое значение, например, ее приходится решать при прокладке кабельных сетей.

Если радиус катящейся окружности в. три раза меньше радиуса опорной, то точка описывает дельтоиду или кривую Штейнера (гипоциклоида с модулем m=3).

Уравнение кривой Штейнера в прямоугольной декартовой системе координат:

.

Имеются три точки возврата. Длина дуги от точки А: . Длина всей кривой . Радиус кривизны . Площадь, ограниченной кривой .

3. Математическая часть

3.1 Обобщенная теорема синусов

Теорема 1.1: Для треугольника АВС с радиусом описанного круга R выполнены соотношения:

.

3.2 Теорема Чевы

Отрезок, соединяющий вершину треугольника с некоторой точкой на противоположной стороне, называется чевианой.

Теорема 2.1: Если три чевианы AX, BY, CZ (по одной из каждой вершины) треугольника АВС конкурентны, то:

.

Три прямые (или отрезка) конкурентны, если все они проходят через одну точку.

Площади треугольников с равными высотами пропорциональны основаниям треугольников.

Ссылаясь на рисунок, имеем:

Аналогично:

Если их перемножить, то получим:

Теорема, обратная к этой теореме, также верна:

Теорема 2.2: Если три чевианы AX, BY, CZ удовлетворяют нижеприведенное соотношение, то они конкурентны:

.

Чтобы это показать, предположим, что две первые чевианы пересекаются в точке Р, как и прежде, а третья чевиана, проходящая через точку Р, будет CZ`. Тогда по теореме 2.1: .

Но по предположению: .

Следовательно: .

Точка Z` совпадает с Z, т.е. отрезки AX, BY и CZ конкурентны.

3.3 Замечательные точки

Центр окружности, описанной вокруг треугольника. О - её обозначение. Она является точкой пересечения трех перпендикуляров, делящих пополам стороны треугольника. R - радиус описанной окружности.

Чевианы, которые связывают вершины треугольника с серединами противоположных сторон, называются медианами. На рисунке отрезки АА`, BB` и CC` - медианы, так что |BA`|=|A`C|, |CB`|=|B`A| и |AC`|=|C`B|. Применяя теорему 2, делаем вывод, что медианы конкурентны. Их общая точка G называется центроидом треугольника. Если бы треугольник был вырезан из однородного материала, то он оставался бы в равновесии, будучи подвешенным в этой точке. Другими словами, центроид есть «центр тяжести» треугольника.

Теорема 3.1: Треугольник делится своими медианами на шесть меньших треугольников равной площади.

Теорема 3.2: Медианы треугольника делят одна другую в отношении 2:1. Другими словами, каждая медиана отсекает треть другой медианы.

Чевианы AD, BE, CF, перпендикулярные прямым BC, CA, AB, соответственно, называются высотами треугольника АВС. Теорема, обратная теореме Чевы, устанавливает их конкурентность. Их общая точка Н называется ортоцентром.

Сами точки D, E, F называются основаниями высот. Соединяя их попарно, мы получим треугольник DEF - ортотреугольник треугольника АВС.

Другое важное семейство чевиан образуют биссектрисы внутренних углов. На рисунке показана одна такая биссектриса AL. Применяя теорему 1 к двум треугольникам ABL и ALC (углы которых в точке L, равные синусы), мы получаем:

.

Так как можем получить аналогичные результаты для биссектрис внутренних углов B и C, то таким образом доказали теорему.

Теорема 3.3: Каждая биссектриса внутреннего угла в треугольнике делит противоположную сторону на отрезки, длины которых пропорциональны длинам прилегающих сторон.

Любая точка на прямой AL равноудалена от прямых CA и AB. Аналогично, любая точка на биссектрисе внутреннего угла В равноудалена от прямых ВА и ВС. Следовательно, точка I, в которой эти две биссектрисы пересекаются, находится на равных расстояниях r от трех сторон:

Теорема 3.4: Биссектрисы трех внутренних углов треугольника конкурентны.

Окружность с центром в точке I и радиуса r касается всех трех сторон и поэтому является вписанной окружностью.

3.4 Вписанная и вневписанная окружности

На рисунке изображена вписанная окружность, касающаяся сторон ВС, СА и АВ в точках X, Y, Z. Так как две касательные к окружности, проведенные из внешней точки, равны, то получаем, что |AY|=|AZ|, |BZ|=|BX|, |CX|=|CY|. На рисунке длины этих отрезков обозначены x, y, z так что y+z=a, z+x=b, x+y=c.

Складывая эти равенства и используя введенное Эйлером обозначение s для полупериметра (от «semiperimetr»), получим 2x+2y+2z= a + b + c=2s, поэтому x + y + z=s, т.е. справедлива.

Теорема 4.1: Для треугольника, изображенного на рисунке, выполняются соотношения:

x=s-a,

y=s-b,

z=s-c.

Так как треугольник IBC имеет основание равное а, высоту r, то его площадь равна: Прибавив к нему аналогичные выражения для и мы получим: следовательно, теорема доказана.

Теорема 4.2: Для треугольника, изображенного на рисунке, выполняется соотношение:

S_ABC = sr.

На рисунке изображен треугольник , стороны которого являются биссектрисами внешних углов треугольника АВС. Любая точка на биссектрисе угла В равноудалена от прямых АВ и ВС. Аналогично: любая точка на прямой равноудалена от прямых ВС и СА.

Следовательно, точка I, в которой эти биссектрисы пересекаются, находится на одинаковом расстоянии r от всех трех сторон. Так как I равноудалена от сторон АВ и АС, то она должна принадлежать множеству точек, равноудаленных от этих прямых, то есть она должна лежать на прямой А₁, внутренней биссектрисе угла А.

Теорема 4.3: Внешние биссектрисы любых двух углов треугольника конкурентны с внутренней биссектрисой третьего угла.

Окружность с центром в точке I радиуса r, касающаяся всех трех сторон треугольника, является одной из трех вневписанных окружностей. Каждая из вневписанных окружностей касается одной из сторон треугольника внутри, а двух других сторон (продолженных) извне.

Обозначив точки касания как на рисунке, две касательные из одной точки к окружности имеют одинаковые длины, то: ;

Следовательно, касательная из точки В (или любой другой вершины) к вневписанной окружности, расположенной за противолежащей стороной, имеет длину s. Действительно: .

Кроме того, так как: .

И так далее, то также и: .

3.5 Теорема Штейнера-Лемуса

Теорема 5.1: Любой треугольник, у которого равны длины биссектрис двух углов (измеряемые от вершины до противоположной стороны), является равнобедренным.

Одно из простейших доказательств этой теоремы опирается на следующие две леммы:

Лемма 5.1.1: Если две хорды окружности стягивают различные острые углы с вершинами на этой окружности, то меньшему углу соответствует меньшая хорда.

Доказательство: Две равные хорды стягивают углы с вершиной в центре окружности и равные углы (как их половины) с вершинами в соответствующих точках на окружности. Из двух неравных хорд более короткая, находясь дальше от центра, стягивает меньший угол с вершиной в центре и, следовательно, меньший острый угол с вершинами на окружности.

Лемма 5.1.2: В треугольнике с двумя различными углами меньший угол обладает большей биссектрисой.

Доказательство: Пусть АВС - треугольник, в котором угол В меньше угла С, как на рисунке; пусть отрезки BM и CN делят пополам углы В и С. Мы хотим доказать, что |BM|>|CN|. Возьмем точку М` на отрезке ВМ так, чтобы M`CN=1/2 B. Так как это угол равен углу M`BN, то четыре точки N, B, C, M` на одной окружности.

Поскольку B < 1/2(B+C) < 1/2(A+B+C), то CBN < M`CB <90°.

По лемме 5.1.1 |CN|<|M`B|. Следовательно, |BM|>|BM`|>|CN|.

Доказательство теоремы: Часто бывает, что теорема может быть выражена в форме «противоположной к обратной» - эквивалентной к обратной. Вместо доказательства теоремы 1.51 для нас будет достаточно доказать, что если в треугольнике АВС В С, то |BM| |CN|. Но это есть прямое следствие леммы 5.1.2.

3.6 Ортотреугольник

Теорема 6.1: Ортоцентр остроугольного треугольника является центром окружности, вписанной в его ортотреугольник.



Одно из простейших доказательств опирается на две следующие леммы:

Лемма 6.1.1: Если две хорды окружности стягивают различные острые углы с вершинами на этой окружности, то меньшему углу соответствует меньшая хорда.

Доказательство: Две равные хорды стягивают равные углы с вершиной в центре окружности и равные углы (как их половины) с вершинами в соответствующих точках на окружности. Из двух неравных хорд более короткая, находясь дальше от центра, стягивает меньший угол с вершиной в центре и, следовательно; меньший угол с вершиной на окружности.

Лемма 6.1.2: В треугольнике с двумя различными углами меньший угол обладает большей биссектрисой.

Доказательство: Пусть АВС - треугольник, в котором угол В меньше угла С, как на рисунке; пусть отрезки ВМ и CN делят пополам углы В и С. Мы хотим доказать, что . Возьмём точку М` на отрезке ВМ так, чтобы . Так как этот угол равен углу M`BN, то четыре точки N, B, C, M` лежат на одной окружности. Поскольку то . По лемме 6.1.1 . Следовательно,



Доказательство теоремы 6.1: Часто случается, что теорема может быть выражена в форме «противоположной к обратной» - эквивалентной первоначальной.

Вместо доказательства самой теоремы 6.1. нам достаточно доказать, что если в треугольнике АВС , то . Но это есть прямое следствие леммы 6.1.2.

Теорема 6.2: Ортоцентр остроугольного треугольника является центром окружности, вписанной в его ортотреугольник.

Мы уже отметили на рисунке, что . А так как отрезок HD перпендикулярен отрезку DB, то и отрезок FD должен быть перпендикулярен отрезку OB. Перпендикулярность отрезков DE и OC, а также EF и OA показывается аналогично.

3.7 Серединный треугольник и прямая Эйлера

Треугольник, полученный соединением середин сторон данного треугольника, назовем серединным треугольником. На рисунке A`B`C` есть срединный треугольник треугольника АВС. Рассмотрим так же две медианы AA` и BB`, пересекающиеся в точке G, две высоты треугольника ABC, пересекающиеся в точке H, и две высоты треугольника A`B`C` пересекающиеся в точке O.

Во-первых, стороны треугольника A`B`C` параллельны сторонам треугольника АВС, поэтому эти треугольники подобны.

Далее, |C`B`|=1/2|BC|, поэтому отношение длин любых двух соответствующих отрезков (а не только соответствующих сторон) будет равно 1:2. В действительности, отрезки B`C`, C`A`, A`B` разбивают треугольник ABC на четыре конгруэнтных треугольника. Кстати, точка P -середина отрезка B`C` - также является и серединой отрезка AA`.

Далее мы видим, что AC`A`B` - параллелограмм, следовательно, прямая AA` делит пополам отрезок B`C`. Поэтому медианы треугольника A`B`C` лежат на медианах треугольника ABC, а это значит, что оба треугольника имеют один и тот же центроид G.

Высоты треугольника A`B`C`, изображенные на рисунке, являются срединными перпендикулярами сторон AB и BC треугольника ABC. Отсюда делаем вывод, что точка O - ортоцентр треугольника A`B`C` - является время и центром окружности, описанной вокруг треугольника ABC.

Так как точка H - ортоцентр треугольника ABC, а точка O - ортоцентр подобного ему треугольника A`B`C`, то |AH| = 2 |OA`|. По теореме 3.2. |AG| + 2 |GA`|. И так как оба отрезка, AD и OA`, перпендикулярны стороне BC, то они параллельны. Следовательно, HAG = OA`G, HAG OA`G и AGH = A`GO.

Этим показано, что точки O, G, H коллинеарны и |HG| = 2 |GO|, то есть справедлива.

Теорема 7.1: Ортоцентр, центроид и центр описанной окружности произвольного треугольника лежат на одной прямой. Центроид делит расстояние от ортоцентра до центра описанной окружности в отношении 2:1.



3.8 Окружность девяти точек

Рассмотрим рисунок. На нем точки K, L, M - середины отрезков AH, BH, CH, лежащих на высотах. Так как BC - общая сторона двух треугольников ABC и HBC, а точки C`, B` и L, M являются серединами других их сторон соответственно, то отрезки C`B` и LM параллельны прямой BC. Аналогично, так как AH - общая сторона двух треугольников BAH и CAH, то оба отрезка C`L и B`M параллельны прямой AH. Следовательно, B`C`LM - параллелограмм. Так как отрезки BC и AH - перпендикулярны, то этот параллелограмм - прямоугольник. Аналогично, A`B`KL - прямоугольник. Следовательно, A`K, B`L, C`M являются тремя диаметрами окружности, как показано на рисунке.

Так как A`DK - прямой, то эта окружность проходит через точку D. Точно также она проходит через точки E и F.

Теорема 8.1: Основания трех высот произвольного треугольника, середины трех его сторон и середины трех отрезков, соединяющих его вершины с ортоцентром, лежат на одной окружности радиуса (Ѕ)R.

Теорема 8.2. Центр окружности девяти точек лежит на прямой Эйлера, точно в середине отрезка между ортоцентром и центром описанной окружности.

3.9 Педальный треугольник

Ортотреугольник и серединный треугольник являются примерами сопутствующих треугольников более общего типа. Пусть Р - любая точка внутри данного треугольника АВС, и пусть из точки Р на стороны АВ, АС, ВС опущены перпендикуляры РА₁, РВ₁, РС₁. Треугольник, А₁В₁С₁ вершинами которого являются основания этих перпендикуляров, называется педальным треугольником треугольника АВС для педальной точки Р.

Теорема 9.1: Если расстояния от педальной точки до вершин треугольника АВС равны x, y, z, то длины сторон педального треугольника равны

В частном случае, когда , это утверждение общеизвестно.

Теорема 9.2: Третий педальный треугольник подобен исходному.

Доказательство следует из чертежа.

4. Методическая часть

Методика обучения математике впервые выделилась как самостоятельная дисциплина в книге швейцарского ученого И.Г. Песталоцци «Наглядное учение о числе» (1803, русский перевод 1806). В 18 веке - начале 19 века методические вопросы излагались в основном в учебниках. Первым пособием по методике математики в России стала книга Ф.И. Буссе «Руководство к преподаванию арифметики для учителей» (1831). Создателем русской методики арифметики для народной школы считается П.С. Гурьев, который критерием правильности решения методических проблем признавал опыт и практику.

4.1 Структура факультативного курса

В данной работе разработана методика изучения геометрии замечательных точек и линий треугольника для учащихся старших нематематических классов.

1. Данный курс предполагается проводить в 9-10 классах с углубленным изучением математики, так как материал достаточно сложен и для качественного усвоения материала, заложенного в данном курсе, необходимы знания, полученные при изучении курса геометрии 7-9 классов, в частности разделов посвященных геометрии n-угольников и окружности. Сложность данного материала заключается в его глубине. То есть знания учащихся по данной теме поверхностны, они имеют некоторые представления о самых распространенных положениях этой темы, но не знают, что эти, на первый взгляд неважные моменты, несут в себе очень глубокий смысл, интереснейшую историю своего возникновения и огромное практическое применение для решения ряда задач в более простой форме.

2. Замечательные точки и линии треугольника целесообразно изучать совместно с геометрией Евклида и общими вопросами аксиоматики, в силу того, что данная тема является неотъемлемой частью геометрии на плоскости и одной из составных частей геометрии треугольника. Так как в школьной программе по геометрии рассматривается только малая часть замечательных точек и линий треугольника, то данный курс направлен на расширение знаний учащихся по данной теме, формирование новых пространственных представлений, способов логического мышления и, как результат, новых путей решения уже известных задач.

3. Этот курс рассчитан на третью четверть 9 - 10 класса. Он состоит из 14 занятий, по два часа каждое. Десятое занятие - контрольная работа. Формы изложения материала предполагаются быть динамическими, что бы максимально интересно и адаптировано передать смысл всего курса. Предполагается, что в процессе изучения данного курса учащиеся будут выполнять очень важную роль для самих себя, то есть одной из форм работы учащихся будет их самостоятельная работа с материалом и его предварительный поиск. После этапа поиска и обработки материала, учащимся предлагается выбрать форму сообщения собранного материала. (Хотя, если учесть сегодняшнее положение вещей, то в лучшем случае можно рассчитывать только на несколько докладов или рефератов, а вся остальная работа будет выполняться самим учителем практически в лекционно-семинарской форме). Конечно, данный курс не ограничивается только самостоятельной работой учащихся, так же предполагается наличие лекционных и семинарских занятий по отдельным темам. Иначе говоря, формы деятельности учителя и учащихся рассматривается с двух сторон: со стороны учителя - объяснительная деятельность, а со стороны учащихся - исследовательская.

4. Методы, применяемые учителем на занятиях:

i. индуктивно-репродуктивный;

ii. индуктивно-эвристический;

iii. индуктивно-исследовательский;

iv. дедуктивно-репродуктивный;