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看似简单的一道证明题, 证明起来却并不容易

证明:定圆内接正n边形面积将随n的增大而增大.

分析:这是显而易见的事情,稍有一点数学常识的人都知识这个规律。但如果要你证明,你会证明吗?你肯定不能说,因为当n趋近于无穷大时,正n边形的面积无限接近圆的面积,所以n越大,定圆的内接正n边形面积越大吧。因为你不能保证,这种单调性在任意n和n+1之间都一定是成立的。

有一种相对比较靠谱的推理方式是:n越大,n多边形的内心角越小,因为内心角等于2π除以n。内心角越小,n边形的边a就越小,从而边心距d就越大. 因此,只要证明定圆的内接正n边形的周长随n的增大而增大。根据正n边形的面积等于边心距乘以周长的二分之一,就可以得证。

不过问题又转换成证明“定圆的内接正n边形的周长随n的增大而增大”。你也不能说,因为当n趋近于无穷大时,正n边形的周长无限接近圆的周长,所以n越大,定圆的内接正n边形周长越大啊。同样的,你不能保证,这种单调性在任意n和n+1之间都一定是成立的。

所以最后还得回到单调性的证明上来。

证:记定圆的半径为r, 边心距为d, 边长为a, 边所对圆周角为θ,【这里不记内心角,运算会更简便一点】

则θ=π/n, d=rcosθ=rcos(π/n), a=2rsin(π/n),

正n边形的面积S=nda/2=nr^2*cos(π/n)*sin(π/n), (n≥3, 补充定义n为任意不小于3的实数)【否则就要构造一个辅助函数S(x),注意这里不要运用正弦的倍角公式,否则会造成后面证明过程中一定的麻烦】

S’=r^2*cos(π/n)*sin(π/n) - π/n*r^2*(cos(π/n))^2+π/n*r^2*(sin(π/n))^2

=r^2*(cos(π/n))^2*(tan(π/n) - π/n)+ π/n*r^2*(sin(π/n))^2>0.【这里运用了当x>0时, tanx>x】

∴S随n的增加而增加.

不过前面我们推导过这个问题等价于证明“定圆的内接正n边形的周长随n的增大而增大”。

所以我们也可以只证明正n边形的周长C=na=2rnsin(π/n)的单调性就可以了。

因为C'=2rsin(π/n)-2rπ/n*cos(π/n)=2rcos(π/n)(tanπ/n-π/n)>0,同样可以得证。

数学是一门需要非常讲究严谨性的科学。没有经过证明,就不能随便下结论。偏偏考试的时候,为了追求高分,却不得不经常放弃数学的严谨性,这是数学学习一个莫大的悲哀。

(题外,附老黄的感慨:假如中国足球能够严谨一点,早就冲出亚洲了。)

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