中國古代數(shù)學(xué)中的算法案例

編輯: 逍遙路 關(guān)鍵詞: 高二 來源: 高中學(xué)習(xí)網(wǎng)
中國古代數(shù)學(xué)中的算法案例
目標:
1.知識與技能目標:
(1)了解中國古代數(shù)學(xué)中求兩個正整數(shù)最大公約數(shù)的算法以及割圓術(shù)的算法;
(2)通過對“更相減損之術(shù)”及“割圓術(shù)”的學(xué)習(xí),更好的理解將要解決的問題“算法化”
的思維方法,并注意理解推導(dǎo)“割圓術(shù)”的操作步驟。
2.過程與方法目標:
(1)改變解決問題的思路,要將抽象的數(shù)學(xué)思維轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w的步驟化的思維方法,提高邏
輯思維能力;
(2)學(xué)會借助實例分析,探究數(shù)學(xué)問題。
3.情感與價值目標:
(1)通過學(xué)生的主動參與,師生,生生的合作交流,提高學(xué)生興趣,激發(fā)其求知欲,培養(yǎng)探索精神;
(2)體會中國古代數(shù)學(xué)對世界數(shù)學(xué)發(fā)展的貢獻,增強愛國主義情懷。
重點與難點:
重點:了解“更相減損之術(shù)”及“割圓術(shù)”的算法。
難點:體會算法案例中蘊含的算法思想,利用它解決具體問題。
教學(xué)方法:
通過典型實例,使學(xué)生經(jīng)歷算法設(shè)計的全過程,在解決具體問題的過程中學(xué)習(xí)一些基本邏輯
結(jié)構(gòu),學(xué)會有條理地思考問題、表達算法,并能將解決問題的過程整理成程序框圖。
教學(xué)過程: 
教學(xué)
環(huán)節(jié)教學(xué)內(nèi)容師生互動設(shè)計意圖
創(chuàng)設(shè)   情境

引入新課引導(dǎo)學(xué)生回顧
人們在長期的生活,生產(chǎn)和勞動過程中,創(chuàng)造了整數(shù),分數(shù),小數(shù),正負數(shù)及其計算,以及無限逼近任一實數(shù)的方法,在代數(shù)學(xué),幾何學(xué)方面,我國在宋,元之前也都處于世界的前列。我們在小學(xué),中學(xué)學(xué)到的算術(shù),代數(shù),從記數(shù)到多元一次聯(lián)立方程的求根方法,都是我國古代數(shù)學(xué)家最先創(chuàng)造的。更為重要的是我國古代數(shù)學(xué)的發(fā)展有著自己鮮明的特色,也就是“寓理于算”,即把解決的問題“算法化”。本章的內(nèi)容是算法,特別是在中國古代也有著很多算法案例,我們來看一下并且進一步體會“算法”的概念。
教師引導(dǎo),學(xué)生回顧。
教師啟發(fā)學(xué)生回憶小學(xué)初中時所學(xué)算術(shù)代數(shù)知識,共同創(chuàng)設(shè)情景,引入新課。
通過對以往所學(xué)數(shù)學(xué)知識的回顧,使學(xué)生理清知識脈絡(luò),并且向?qū)W生指明,我國古代數(shù)學(xué)的發(fā)展“寓理于算”,不同于西方數(shù)學(xué),在今天看仍然有很大的優(yōu)越性,體會中國古代數(shù)學(xué)對世界數(shù)學(xué)發(fā)展的貢獻,增強愛國主義情懷。
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課本

探究
新知
1.求兩個正整數(shù)最大公約數(shù)的算法
學(xué)生通常會用輾轉(zhuǎn)相除法求兩個正整數(shù)的最大公約數(shù):
例1:求78和36的最大公約數(shù)
(1)利用輾轉(zhuǎn)相除法
步驟:
計算出78 36的余數(shù)6,再將前面的除數(shù)36作為新的被除數(shù),36 6=6,余數(shù)為0,則此時的除數(shù)即為78和36的最大公約數(shù)。
理論依據(jù): ,得 與 有相同的公約數(shù)
(2)更相減損之術(shù)
指導(dǎo)閱讀課本P ----P ,總結(jié)步驟
步驟:
以兩數(shù)中較大的數(shù)減去較小的數(shù),即78-36=42;以差數(shù)42和較小的數(shù)36構(gòu)成新的一對數(shù),對這一對數(shù)再用大數(shù)減去小數(shù),即42-36=6,再以差數(shù)6和較小的數(shù)36構(gòu)成新的一對數(shù),對這一對數(shù)再用大數(shù)減去小數(shù),即36-6=30,繼續(xù)這一過程,直到產(chǎn)生一對相等的數(shù),這個數(shù)就是最大公約數(shù)
即,

理論依據(jù):
由 ,得 與 有相同的公約數(shù)
算法:
輸入兩個正數(shù) ;
如果 ,則執(zhí)行 ,否則轉(zhuǎn)到 ;
將 的值賦予 ;
若 ,則把 賦予 ,把 賦予 ,否則把 賦予 ,重新執(zhí)行 ;
輸出最大公約數(shù)
程序:
a=input(“a=”)
b=input(“b=”)
while a<>b
if a>=b
a=a-b;
else
b=b-a
end
end
print(%io(2),a,b)
學(xué)生閱讀課本內(nèi)容,分析研究,獨立的解決問題。
教師巡視,加強對學(xué)生的個別指導(dǎo)。
由學(xué)生回答求最大公約數(shù)的兩種方法,簡要說明其步驟,并能說出其理論依據(jù)。

由學(xué)生寫出更相減損法和輾轉(zhuǎn)相除法的算法,并編出簡單程序。
教師將兩種算法同時顯示在屏幕上,以方便學(xué)生對比。
教師將程序顯示于屏幕上,使學(xué)生加以了解。數(shù)學(xué)教學(xué)要有學(xué)生根據(jù)自己的經(jīng)驗,用自己的思維方式把要學(xué)的知識重新創(chuàng)造出來。這種再創(chuàng)造積累和發(fā)展到一定程度,就有可能發(fā)生質(zhì)的飛躍。在教學(xué)中應(yīng)創(chuàng)造自主探索與合作交流的學(xué)習(xí)環(huán)境,讓學(xué)生有充分的時間和空間去觀察,分析,動手實踐,從而主動發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造所學(xué)的數(shù)學(xué)知識。

求兩個正整數(shù)的最大公約數(shù)是本節(jié)課的一個重點,用學(xué)生非常熟悉的問題為載體來講解算法的有關(guān)知識,,強調(diào)了提供典型實例,使學(xué)生經(jīng)歷算法設(shè)計的全過程,在解決具體問題的過程中學(xué)習(xí)一些基本邏輯結(jié)構(gòu),學(xué)會有條理地思考問題、表達算法,并能將解決問題的過程整理成程序框圖。為了能在計算機上實現(xiàn),還適當展示了將自然語言或程序框圖翻譯成計算機語
言的內(nèi)容?偟膩碚f,不追求形式上的嚴謹,通過案例引導(dǎo)學(xué)生理解相應(yīng)內(nèi)容所反映的數(shù)學(xué)思想與數(shù)學(xué)方法。
應(yīng)用
舉例例1 :用等值算法(更相減損術(shù))求下列兩數(shù)的最大公約數(shù)。
(1)225,135 (2)98,280
例2:用輾轉(zhuǎn)相除法驗證上例中兩數(shù)的最大公約數(shù)是否正確。學(xué)生練習(xí),教師巡視檢查。
學(xué)生回答。鞏固所學(xué)知識,進一步加深對知識的理解,用輾轉(zhuǎn)相除法步驟較少,而更相減損術(shù)雖然有些步驟較長,但運算簡單。
體會我國古代數(shù)學(xué)中“寓理于算”的思想。
深化
算法
應(yīng)用
舉例2.割圓術(shù)
魏晉時期數(shù)學(xué)家劉徽,“割之彌細,所失彌少,割之又割,以至于不可割,則與圓合體而無所失矣”
即從圓內(nèi)接正六邊形開始,讓邊數(shù)逐次加倍,逐個算出這些內(nèi)接正多邊形的面積,從而得到一系列逐次遞增的數(shù)值。
閱讀課本P ----P ,
步驟:
第一,從半徑為1的圓內(nèi)接正六邊形開始,計算它的面積 ;
第二,逐步加倍圓內(nèi)接正多邊形的邊數(shù),分別計算圓內(nèi)接正十二邊形,正二十四邊形,正四十八邊形…的面積,到一定的邊數(shù)(設(shè)為2m)為止,得到一列遞增的數(shù) ,
第三,在第二步中各正邊形每邊上作一高為余徑的矩形,把其面積 與相應(yīng)的面積 相加,得 ,這樣又得到一列遞增數(shù): , , ,…, 。
第四,圓面積 滿足不等式 
估計 的近似值,即圓周率的近似值。
算法:
設(shè)圓的半徑為1,弦心距為 ,正 邊形的邊長為 ,面積為 ,由勾股定理得



圖可知,正 邊形的面積等于正 邊形的面積加上 個等腰三角形的面積和,即
( )
利用這個遞推公式,可以得到正六邊形的面積為 ,
由于圓的半徑為1,所以隨著 的增大, 的值不斷趨近于圓周率。
程序:
n=6;
x=1;
s=6*sqrt(3)/4;
for I=1:1:16
h=sqrt(1-(x/2)?2);
s=s+n*x*(1-h)/2;
n=2*n;
x=sqrt((x/2) ?2+(1-h)?2);
end
print(%io(2),n,s)學(xué)生閱讀課本,教師巡視注意個別指導(dǎo),幫助學(xué)生識圖,分析。

教師概括割圓術(shù)的步驟,學(xué)生觀察圖形,引導(dǎo)學(xué)生提出問題并解答。
步驟較復(fù)雜,教師注意結(jié)合圖形幫助學(xué)生分析,理解。

通過教師分析的割圓術(shù)的步驟,又學(xué)生討論制定割圓術(shù)的算法,教師注意指導(dǎo),適當提示,引導(dǎo)學(xué)生出現(xiàn)算法中的遞推關(guān)系。

教師將算法顯現(xiàn)在屏幕上,又學(xué)生對應(yīng)寫出簡單的程序。

割圓術(shù)是從圓內(nèi)接六邊形開始,讓邊數(shù)逐次加倍,逐個算出這些內(nèi)接正多邊形的面積,從而得到一系列逐次遞增的數(shù)值。在但是要付出艱辛的勞動,現(xiàn)在有計算機,我們只需利用劉徽的思想,尋找割圓術(shù)中的算法,即運算規(guī)律,計算機會迅速得到所求答案。
分析劉徽割圓術(shù)中的算法是難點所在,學(xué)生先閱讀課本,有初步印象之后教師再與學(xué)生一起總結(jié)割圓術(shù)的步驟,在此基礎(chǔ)上,又學(xué)生將所分析的步驟寫為算法,引導(dǎo)學(xué)生體會算法的核心是一般意義上的解決問題策略的具體化。面臨一個問題時,在分析、思考后獲得了解決它的基本思路(解題策略),將這種思路具體化、條理化,用適當?shù)姆绞奖磉_出來(畫出程序框圖,轉(zhuǎn)化為程序語句),這個過程就是算法設(shè)計過程,這是一個思維的條理化、邏輯化的過程。

歸納小結(jié)1.求最大公約數(shù)的輾轉(zhuǎn)相除法和更相減損法;
2.割圓術(shù)的算法學(xué)生小結(jié)并相互補充,師生共同整理完善。學(xué)生學(xué)后反思總結(jié),可以提高學(xué)生自己獲得知識的能力以及歸納概括能力。
課后作業(yè) 習(xí)題1―3 1,2
選作 習(xí)題1―3
鞏固所學(xué)知識,是學(xué)有余力的同學(xué)的創(chuàng)造性得到進一步的發(fā)揮。


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