提出问题
整个世界是一个可计算的世界!基于计算机的数学教学理念(CBM)的宗旨是培养学生的计算思维!当听到这首歌时,大家有没有想过,北京的环线有多长?覆盖的地域有多宽?我们是否能根据北京现有环线长度来推断七环、八环甚至n环的北京环线有多长?它们将覆盖到什么地方?不妨来计算一下!
现有数据
现成的数据可以从网上查到, 每条环线的长度如下:
二环32.7千米
三环48.3千米
四环65.3千米
五环98.6千米
六环187.6千米
七环 ........
相应的数学概念
拟合(Fitting):根据已知数据可以推导出描述规律的数学公式
寻找最优拟合公式
直线拟合
方程 y=a x b 在坐标系是一条直线,斜率为 a 。理论上这样的直线有无数条,但最优的直线只有一条.
如何判别找到的拟合公式是否最优----残差(Residual)
显然,有多少对数据,就有多少个残差,残差分析就是通过残差所提供的信息分析出数据的可靠性、周期性或其他干扰因素。
曲线拟合
三个拟合公式进行对比
最终我们选用三次多项式(Cubic)拟合。
北京十一环可以覆盖到哪?
将选中的拟合公式复制下来,进行环线周长函数的定义.
环路周长[x_]:=4.525 x^3-29.075 x^2 72.9 x-16;
下面可以算一下"修到七环的环线长度"
环路周长[7]
621.7
那么七环到北京市中心点的距离, 也就是圆半径是多少呢? 我们再来定义一个函数:
环路半径[x_]:=环路周长[x]/(2 [Pi])
那么现在就可以计算7环的半径了:
环路半径[7]
98.9466
我们想在地图上看一下从 4 环到未来的 11 环究竟是怎样的, 如果修到了 11 环到底覆盖到了什么地方。
GeoGraphics[{{GrayLevel[.2],
Table[GeoDisk[GeoPosition[pos],
环路半径[k]*Quantity[1, "Kilometers"]], {k, 2, 21}]}
}, ImageSize -> 600]
最后制作成动态的模型。
北京几环可以覆盖月球?
如果未来人类在月球上定居的话, 那么月球的人相当于住在北京的多少环呢?
计算得到:
环路半径[40]
39148.9
结果表明,月球约相当于北京的40环!
那么火星呢? 其他行星呢? 这些问题可以利用Wolfram|Alpha来继续探究......
以上是一个的基于计算机的数学教学的典型例子。培养计算思维的CBM课程设计不能仅仅停留在理论层面,而应该与实际软件工具相结合。对于中小学生来说,可以从解决有趣的数学问题入手,这样不仅能加深学生度问题的理解,还能提高学生对数学探究的兴趣及利用现代计算机技术的能力!
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注:本文基于果壳网文章加工制作而成。