Áp dụng khái quát hoá, đặc biệt hoá, tương tự hoá trong việc giải toán sơ cấp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

ĐOÀN VĂN AN

ÁP DỤNG KHÁI QUÁT HOÁ, ĐẶC BIỆT HOÁ,

TƢƠNG TỰ HOÁ TRONG VIỆC

GIẢI TOÁN SƠ CẤP

Chuyên ngành: Phƣơng pháp toán sơ cấp

Mã số: 60. 46. 01.13

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Đà Nẵng – Năm 2016

Công trình được hoàn thành tại

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS. PHAN ĐỨC TUẤN

Phản biện 1: TS. Lê Hải Trung

Phản biện 2: TS. Hoàng Quang Tuyến

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận

văn tốt nghiệp thạc sĩ Khoa học họp tại Đại học Đà Nẵng vào

ngày 13 tháng 8 năm 2016.

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin – Học liệu, Đại học Đà Nẵng.

- Thư viện trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng

1

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài

Giải toán sơ cấp ở bậc học phổ thông là một hoạt động quan

trọng. Chúng ta biết rằng không phải bài toán nào cũng có thể giải

được một cách dễ dàng. Khi gặp một bài toán mà giải trực tiếp nó

gặp nhiều khó khăn thì ta nên xét các trường hợp đặc biệt, các trường

hợp tương tự hay tổng quát của nó vì có thể xét bài toán theo các khía

cạnh đó lại dễ hơn và từ các trường hợp đó ta suy ra cách giải bài

toán ban đầu.

Khái quát hóa, đặc biệt hóa và tương tự hóa, đó là những thao

tác tư duy có vai trò rất quan trọng trong quá trình dạy học toán ở

trường phổ thông. Khái quát hóa, đặc biệt hóa, tương tự hóa là

phương pháp giúp chúng ta mò mẫm, dự đoán để tìm lời giải của bài

toán, mở rộng, đào sâu, hệ thống hoá kiến thức và góp phần quan

trọng trong việc hình thành những phẩm chất trí tuệ cho học sinh.Tuy

nhiên, khái quát hoá, đặc biệt hoá và tương tự hóa hiện nay chưa

được rèn luyện đúng mức trong dạy học ở trường phổ thông.

Việc áp dụng trong lượng giác; trong hình học; chứng minh đẳng

thức và bất đẳng thức; ... vào việc giải toán sơ cấp ngày càng phát triển,

tạo hứng thú cho các em trong quá trình học toán, vận dụng toán vào

cuộc sống, tạo hứng thú đối với những học sinh yêu thích toán học, đam

mê sự sáng tạo, tìm tòi cho môn toán.

2. Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu vai trò của khái quát hoá, đặc biệt hoá và tương

tự trong dạy học toán và dạy học trong lượng giác, trong hình học

chứng minh bất đẳng thức.

- Đề xuất một số biện pháp nhằm rèn luyện khái quát hoá, đặc

2

biệt hoá và tương tự cho học sinh vào giải toán trong lượng giác;

trong hình học; chứng minh đẳng thức và bất đẳng thức; một số dạng

toán khác hay gặp trong bậc phổ phổ thông.

3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

3.1. Đối tƣợng nghiên cứu

Việc áp dụng khái quát hoá, đặc biệt hoá, tương tự hoá để giải

bài toán sơ cấp ở phổ thông.

- Một số bài toán về đẳng thức và bất đẳng thức.(Đại số)

- Một số bài toán về lượng giác.

- Một số bài toán về hình học.

- Một số bài toán thường gặp trong chương trình phổ thông.

Trong mỗi phần sẽ đưa vào các ví dụ và bài tập áp dụng cụ thể.

3.2. Phạm vi nghiên cứu

Tìm hiểu khả năng khái quát hoá, đặc biệt hoá, tương tự của

học sinh phổ thông thông qua các bài toán trong lượng giác; trong

hình học; chứng minh đẳng thức và bất đẳng thức; một vài dạng toán

hay gặp ở bậc phổ thông.

4. Phƣơng pháp nghiên cứu

Nghiên cứu tổng hợp từ sách, báo, tài liệu có đề cập đến khái

quát hoá, đặc biệt hoá, tương tự hóa, lý luận dạy học, sách giáo khoa,

sách tham khảo, sách giáo viên, tạp chí giáo dục, ...

5. Đóng góp của đề tài

ây dựng, hệ thống đề xuất một số biện pháp nhằm áp dụng

khái quát hoá, đặc biệt hoá và tương tự hóa cho học sinh phổ thông

chứng minh về một số dạng toán về đẳng thức và bất đẳng thức,

lượng giác và hình học, một số dạng toán thường gặp ở bậc phổ

thông.

3

6. Cấu trúc luận văn

Luận văn gồm phần mở đầu, kết luận, hai chương và danh mục

tài liệu tham khảo.

Chương 1. Khái quát hoá, đặc biệt hoá, tương tự hoá.

Chương 2. Áp dụng khái quát hoá, đặc biệt hoá, tương tự hoá

trong việc giải toán sơ cấp vào chứng minh đẳng thức và bất đẳng

thức, lượng giác, hình học và các dạng thường gặp khác bậc phổ thông.

CHƢƠNG 1

KHÁI QUÁT HOÁ, ĐẶC BIỆT HOÁ, TƢƠNG TỰ HOÁ

1.1. CÁC KHÁI NIỆM

1.1.1. Khái quát hóa

Theo G. Pôlya, “Khái quát hóa là chuyển từ việc nghiên cứu

một tập hợp đối tượng đã cho đến việc nghiên cứu một tập lớn hơn,

bao gồm cả tập hợp ban đầu”

3,tr.21.

Trong “Phương pháp dạy học môn Toán”, các tác giả Nguyễn

Bá Kim, Vũ Dương Thụy đã nêu rõ: “Khái quát hóa là chuyển từ một

tập hợp đối tượng sang một tập hợp lớn hơn chứa tập hợp ban đầu

bằng cách nêu bật một số trong các đặc điểm chung của các phần tử

của tập hợp xuất phát”

7,tr.31.

Chẳng hạn, chúng ta khái quát hóa, khi chuyển từ việc nghiên

cứu tam giác sang về nghiên cứu tứ giác, rồi đa giác bất kỳ với số cạnh

bất kỳ. Từ hệ thức lượng trong tam giác vuông sang việc nghiên cứu

hệ thức lượng trong tam giác thường. Chúng ta có thể chuyển việc

nghiên cứu bất đẳng thức cho hai số sang bất đẳng cho n số tùy ý, ...

1.1.2. Đặc biệt hóa

1.1.3. Tƣơng tự hóa.

4

1.2. VAI TRÒ CỦA KHÁI QUÁT HOÁ, ĐẶC BIỆT HOÁ,

TƢƠNG TỰ HOÁ TRONG VIỆC GIẢI BÀI TOÁN SƠ CẤP

1.2.1. Vai trò khái quát hóa, đặt biệt hóa, tƣơng tự hóa

trong việc giải toán sơ cấp

Trong toán học, khái quát hóa, đặc biệt hóa, tương tự hóa trở

thành một phương pháp suy nghĩ sáng tạo và là nguồn gốc của nhiều

phát minh trong toán học sơ cấp cũng như trong toán học cao cấp.

Khái quát hóa, đặc biệt hóa, tương tự hóa có thể vận dụng để mò

mẫm dự đoán kết quả bài toán, tìm phương hướng giải bài toán, để

mở rộng, đào sâu và hệ thống hóa kiến thức.

Khi giải một bài toán, phương pháp chung là đưa nó về một bài

toán đơn giản hơn sao cho khi giải bài toán này thì có thể giải được

bài toán đã cho. Khi đó các phương pháp khái quát hóa, đặc biệt hóa,

tương tự hóa có nhiều tác dụng.

Trong lịch sử toán học, có những bài toán mà suốt hàng chục

năm, thậm chí hàng trăm năm biết bao thế hệ các nhà toán học trên

thế giới với bao công sức chỉ mới giải được một số trường hợp đặc

biệt.

Từ những kiến thức bài toán đã cho chúng ta có thể vận dụng

khái quát hóa, đặc biệt hóa, tương tự để hình thành những tri thức

mới, đề xuất và giải những bài toán mới. Trên cơ sở đó chúng ta sẽ

đào sâu và hiểu rõ các khái niệm, định lí, góp phần mở rộng vốn kiến

thức của mình. Từ đó sẽ tạo cho chúng ta hiểu rõ hơn bản chất và các

quy luật của các sự kiện toán học, xác lập mối liên hệ và thống nhất

giữa các tri thức mà chúng ta tiếp nhận được.

1.2.2. Các ví dụ minh họa

Ví dụ 1:

Trong tam giác, tính chất của của ba đường cao; đường trung

5

tuyến; đường phân giác trong một tam giác. Một đặc điểm mà ai cũng

biết là ba đường cùng loại xuất phát từ ba đỉnh của tam giác, đồng

quy tại một điểm lần lượt được gọi là trực tâm, trọng tâm, tâm đường

tròn nội tiếp tam giác. Suy ra chúng có điều gì đó chung!. Sau đây ta

xét các trường hợp đặc biệt đó.

a. ét giao điểm ba đường trung tuyến:

B1

A1

C1

B C

A

Ta luôn có

1 1 1

111

. . 1 A B B C C A

AC B A C B



(1.1)

b. Xét giao điểm ba đường phân giác

B1

A1

C1

B C

A

Vậy ta cũng có

1 1 1

111

. . 1 A B B C C A

AC B A C B



c. Xét giao điểm ba đường cao

Xét các cặp tam giác đồng dạng sau:

B1

A1

C1

B C

A

6

Suy ra:

1 1 1

1 1 1

. . . . 1 A B B C C A AB BC CA

C B AC B A CB AC BA

 

Vậy (1.1) cũng đúng với trường hợp ba đường cao.

d. Bài toán tổng quát

Từ 3 trường hợp trên ta có bài toán tổng quát hơn như sau :

- Bài toán tổng quát : Nếu A1, B1, C1 là ba điểm lần lượt thuộc

ba cạnh BC, CA, AB của tam giác ABC sao cho AA1, BB1, CC1 đồng

quy thì:

1 1 1

111

. . 1 A B B C C A

AC B A C B

 (1.2)

Tóm lại, từ các trường hợp đặc biệt như đường trung tuyến,

phân giác, đường cao ta đã đưa ra trường hợp tổng quát cho ba

đường thẳng đồng quy bất kỳ.

Việc tổng quát hóa này giúp cho ta rất nhiều trong một số bài

toán chứng minh đồng quy.

Từ những kiến thức bài toán đã cho chúng ta có thể vận dụng

khái quát hóa, đặc biệt hóa, tương tự để hình thành những tri thức

mới, đề xuất và giải những bài toán mới. Trên cơ sở đó chúng ta sẽ

đào sâu và hiểu rõ các khái niệm, định lí, góp phần mở rộng vốn kiến

thức của mình. Từ đó sẽ tạo cho chúng ta hiểu rõ hơn bản chất và các

quy luật của các sự kiện toán học, xác lập mối liên hệ và thống nhất

giữa các tri thức mà chúng ta tiếp nhận được.

Ví dụ 3:

+ Xét bài toán sau:

Cho

a b, 0 

. Chứng minh rằng:

3 3 2 2 a +b a b+b a. 

(1.11)

Chúng ta có thể giải bài toán này theo 2 cách sau:

Cách 1

Ta có

7

       

3 3 2 2 2 2 2

a b a b b a a a b b a b a b a b      - - - - - - 0. 3 3 2 2     a b a b b a.

Cách 2

Áp dụng bất đẳng thức Cauchy ta có:

3

3 3 3 6 3 2 3 3 2 a a b a b a b a b a b        3 3 2 3 .

Tương tự

3 3 2 2 3 . b a ab  

Cộng vế với vế các bất đẳng thức trên ta được điều phải chứng

minh.

a. Bài toán tương tự hóa, ta có bài toán

Cho

a b, 0 

Chứng minh rằng:

4 4 3 3 a b a b b a    .

(1.11.1)

5 5 4 4 a b a b b a    .

(1.11.2)

Theo hướng khai thác đó ta có thể khái quát hóa bài toán tổng

quát như sau:

+ Cho

a b, 0 

Chứng minh rằng:

 

-1 -1 * . n n n n a b a b b a n    

(1.11.3)

+ Cho

a b, 0 

. Chứng minh rằng:

 

- -

, , .

n n m n m m n m a b a b b a m n n m     

(1.11.4)

b. Bài toán đặt biệt hóa:

n m 4, 2  

, từ (1.11.4) ta ta có được bài toán bất đẳng

thức sau:

4 4 2 2 a b a b   2 .

(1.11.5)

Tương tự:

n m 5, 2  

ta ta có được bài toán bất đẳng thức

sau:

5 5 3 2 3 2 a b a b b a    .

(1.11.6)

c. Từ khái quát hóa, ta có các bài toán tương tự sau

+ Cho

a b c , , 0 

, chứng minh rằng:

8

3 3 3 2 2 2 a b c a b b c c a      .

(1.11.7)

4 4 4 2 2 2 2 2 2 a b c a b b c c a      .

(1.11.8)

+ Khái quát hóa bài toán trên trong trường hợp

n

biến

Cho

n

số dương

1 2 3 , , ..., a a a an

, m k m k , ,  

. Chứng

minh rằng:

- - -

1 2 1 2 2 3 1 ... ... .

m m m k m k k m k m m k

a a a a a a a a a        n n

(1.11.9)

Bằng những cách làm đó ta có thể hướng học sinh độc lập suy

nghĩ để không ngừng rèn luyện trí thông minh và sự sáng tạo.

Ta có thể sáng tạo được bất đẳng thức (1.11.1), (1.11.2),

(1.11.3), (1.11.4), (1.11.5), (1.11.6), (1.11.7) từ bài toán ban đầu bất

đẳng thức (1.11). Đối chiếu sự tương ứng giữa các bất đẳng thức tìm

ra dấu hiệu bản chất của chúng để xây dựng được bài toán tổng quát.

Từ đó bằng khái quát hóa để được bất đẳng thức (1.11.4), (1.11.5) và

(1.11.9) ta thấy mức độ khái quát hóa ở đây tăng dần.

Tính sáng tạo sẽ phát triển cao hơn nếu ta biết đề xuất và giải

quyết các bài toán mới từ những bài toán đã biết.

CHƢƠNG 2

ÁP DỤNG KHÁI QUÁT HOÁ, ĐẶC BIỆT HOÁ, TƢƠNG TỰ

HOÁ TRONG VIỆC GIẢI TOÁN SƠ CẤP

2.1. MỘT SỐ VẬN DỤNG TRONG ĐẲNG THỨC VÀ BẤT

ĐẲNG THỨC.

2.1.1. Giới thiệu tóm tắt lý thuyết về bất đẳng thức.

2.1.2. Một số vận dụng trong đẳng thức và bất đẳng thức

Bài toán 1:

Xét bài toán ban đầu:

Cho

a, b

dương thỏa mãn

a b  1

, chứng minh rằng:

9

2

2 - 2 - 3

a b

a b

  . (2.1)

Hướng dẫn giải:

Ta có

- 2 2 2 -1

2 - 2 - 2 -

a a

a a a



 

Tương tự

2

-1

2 - 2 -

b

b b



Do đó:

1 1 2 - 2

2 - 2 - 2 - 2 -

a b

a b a b

 

      

. (1)

Mặt khác theo bất đẳng thức Cauchy ta có:

 

1 1 2 - 2 - 4

2 - 2 -

a b

a b

        

(vì

, 0 2 - 0

1 2 - 0

a b a

a b b

      

    

)

1 1 4

2 - 2 - 3 a b

  

. (2)

Từ (1) và (2) ta suy ra (2.1) được chứng minh:

2

2 - 2 - 3

a b

a b

  .

Đẳng thức xảy ra khi

1

2

a b   .

+ Phát trển bài toán ban đầu (2.1):

Giả thiết của bài toán là tổng của hai số dương bằng 1. Với

cách nhìn đó ta thử tăng thêm số lượng biến trong bài toán sao cho

các biến vẫn ràng buộc với nhau bởi điều kiện có tổng bằng 1. Ta

sáng tác được các bài toán sau:

+ Cho

a, b, c

dương thỏa mãn

abc    1

, khi đó ta có:

3

2 - 2 - 2 - 5

abc

abc

   . (2.1.1)

+ Cho

a, b, c, d

dương thỏa mãn

a+b+c+d = 1

, khi đó ta có:

4

2 - 2 - 2 - 2 - 7

a b c d

a b c d

    . (2.1.2)

10

Từ đó có thể khái quát hóa bài toán với

n

(

n * 

) số

dương tùy ý.

+ Cho

n

số dương tùy ý

1 2 3 , , ..., a a a an

thỏa mãn

1

1

n

i

i

a



  .

Chứng minh rằng:

1 2

1 2

...

2 - 2 - 2 - 2 -1

n

n

a a a n

a a a n

    . (2.1.3)

Vẫn là cách nhìn dưới góc độ trên, nếu như tổng của các biến

không phải là 1 mà là một số bất kì, tức là

1

n

i

i

a k



 

thì ta có bất

đẳng thức tổng quát hơn.

1 2

1 2

...

2 - 2 - 2 - 2 -

n

n

a a a nk

a a a n k

    . (2.1.4)

Ta có thể xây dựng được bất đẳng thức trên bằng cách thay

số 2 ở trong bất đẳng thức bởi một tham số

α

bất kì với

α 1 

. Khi

đó ta có bài toán:

+ Cho

n

số dương tùy ý

1 2 3 , , ..., a a a an

thỏa mãn

1

n

i

i

a k



  ,

chứng minh:

1 2

1 2

...

- - - -

n

n

a a a nk

    a a a n k

   

với

 1. (2.1.5)

Ngoài ra ta còn có thể mở rộng bài toán bằng cách tăng số mũ

của biến

+ Cho

n

số dương tùy ý

1 2 3 , , ..., a a a an

thỏa mãn

1

n

m

i

i

a k



  ,

chứng minh:

1 2

1 2

...

- - - -

m m m

n

m m m

n

a a a nk

    a a a n k

   

với

 1. (2.1.6)