不规则几何图形面积计算方法

不规则几何图形面积计算方法

有一次坐车,曾与一位大学一年级的学生坐邻座。

问她现在还学不学数学,她说正学呢,学微积分。

问微积分有什么用,她想了想,说:“可以求不规则图形的面积”。

我将手拍在我们前面座椅的靠背上,问:“用您高中以前的知识,您怎么求我的手掌印的面积？”

她马上说:“这没有办法求。我们求面积都就是求的规则图形的面积。这个没有办法求。”

她没有用过新课程下的数学教材。对于用过新课程下的数学教材的学生来说,这样的问题,小学生应当能够解决了。

新世纪小学数学教材安排了探索不规则图形及物体的测量方法,如,“估计自己脚印的面积”的活动,“学生可以在脚印上画出透明的正方形格子,由此进行估计。对于感兴趣的学生,教师还可以引导她们计算出鞋印覆盖住的整方格数,得到鞋印面积的不足近似值;再计算出被鞋印接触过的所有方格数,得到鞋印面积的过剩近似值,鞋印的实际面积介于二者之间。根据经验,学生还可能认识到方格分得越细,不足近似值与过剩近似值越接近,这种认识实际上蕴涵了微积分的基本思想。[1]”大方格不能

上文说“根据经验,学生还可能认识到……”,似乎就是编写者“一厢情愿”的猜度。我们瞧到下面的材料,想来您会体会到编写者这样设计的意义与价值。这就是一位教师在上课中的实录节选。

例2[2] 求一块不规则图形的面积.

这与数学中的常规问题就是不同的,我们在数学中面对的一般都就是规则图形,可以直接用公式计算,或者通过适当割补后再用公式计算.如何解决这一问题呢?我们把它交给学生,竟然得到了如下一些成果:

方法1 将图形放在坐标纸上,也即将图形分割,瞧它有多少个“单位面积”.

方法2 将图形从内外两个方面用规则图形(或规则图形的组合)逼近.

[1]义务教育课程标准实验教科书·数学教师教学用书(四年级上册)·致教师(一),北京师范在学出版社,

[2]试谈以人为本的三维课堂教学,http://www、6318、cn/jyzx/Print、asp

方法3 将这块图形用一个正方形围住,然后随机地向正方形内扔“点”(如小石子等小颗粒),当点数P足够大时,统计落入不规则图形中的点数A,则图形的面积与正方形面积的比约为 .

方法4“称量”面积:在正方形区域内均匀铺满一层细沙,分别称得重量就是P(正方形区域内细沙重)、A(所求图形内细沙重),则所求图形的面积与正方形面积的比就是 .

我们欣赏一下学生的思路,您会发现,这里的每一种方法都有极其深刻的背景。

方法l涉及到一些重要的思想: “覆盖”,运动不变性,面积的可加性。用小方格覆盖,面积就是一个量,可以计算,可以比较大小。在度量时,要有一个度量单位,每个小方格的面积都就是一样的,如果视为用同一个方格来度量,则小方格可以视为度量面积的单位,无论放在何处

它的面积都没有变,这就是面积计算中的运动不变性。用小方格覆盖,不能重合,也不能有空隙,所有部分的与等于整体的面积,这就是体现的有限可加性,就是应用了面积的本质意义。

方法2与前文所述新世纪教材编写者建议的方法一致,体现了朴素的微积分的基本思想。

方法4类似于伽利略计算摆线(见下图)弧下方所围成的面积的方法。当一个圆在一条直线上平稳地滚动时,圆上一个固定点所出的曲线就就是一条摆线。新世纪配套教学辅导读物《伴您成长》就

有一个这样的实

践活动:“想象一

下,在车轮行驶

的过程中,气门

芯形成的图形就是什么样子的。”当车子在平直的道路上行驶时,车轮上的气门芯形成的图形就就是摆线。

对摆线的研究,在17世纪曾就是科学界的“热门话题”。伽利略痴迷于摆线的研究,发现了摆线的两个重要事实:

1、摆线弧的长度等于旋转圆的直径的4倍;

2、摆线弧下方所围成的面积就是旋转圆的面积的3倍。

而她发现这两个重要事实所用的方法,现在来瞧却很就是简易。她就是用一根绳子附在摆线上,度量出这条绳子的长度再与旋转圆的直径作比较,得到了第一个事实;在一块薄板上画

出摆线所围成的图形,再把这个图形切下来,称一下它的重量,然后在同样的薄板上画出旋转圆,再把旋转圆切下来,称一下重量,她发现了第二条事实。

伽利略用到的第一种方法就是新世纪教材中特别突出的化曲为直的方法。如,在三年级上册乘法中给出了一条弯弯曲曲的铁路线示意图,让学生在图中标出火车出发2时后的大概位置;在六年级上册学习圆的周长时,介绍了“用线绕圆片一周,量它的长度。”她的第二种方法,在学习比例或相似时我们可以向学生介绍。我在教学比例时,有个学生崔艳梅同学就想到了这个称面积的方法——称出某个省的面积。

上面1,2,4三种方法都就是从确定性来思考的,方法3与前面的三种方法不同,就是从随机性的角度思考的,属于概率统计的方法,在数学上被称为“蒙特卡罗方法”。

用“蒙特卡罗方法”发明人波兰数学家乌拉姆举的例子说:用微积分的方法求不规则图形的面积,有时计算很麻烦,我们可以用一个正方形将这个不规则图形围住,然后随机地往正方形内掷“点”。如,抛豆粒或站在一定远

的距离外掷飞镖。当掷的“点”的数目

足够大时,落入正方形内的“点”数与落

入这个不规则图形内的“点”数,应当等

于这两个图形面积的比值。这种方法由

于有随机的思想,与赌博的随机性有关联,

数学家们就用世界最著名的赌城“蒙特

卡罗”命名。

换一个视角瞧问题,这四种方法也就是有联系的,我们把小方格缩小,缩小,再缩小,一直缩小视为点,视为投放“点”之后的结果;或者说我们把“蒙特卡罗方法”投放的“点”“放大”为小正方形,这方法1,2,3就没有什么实质性的差异了。

再瞧方法4,既然这图形的面积可以瞧成由众多的“小正方形”或“点”组成,可以象点数马、牛、羊一样点数。那么,当点数的物件太小,象豆子,米粒,沙粒……,不容易点数时,人们便想到了“称”,用重量的多少来度量其面积的多少,这自然就就是方法4了。这样瞧来,方法4中称量的细沙、伽利略称量的薄板都可以视为称量的“点”的集合了。