加入圖形計算器社團后,我嘗試用繪制多個函數(shù)圖形的方法制作出一條魚的形狀.第一幅圖繪制完成后我非常開心,因為這是我第一次成功用圖形計算器做出東西,但是這條魚看起來總感覺有一點別扭.仔細觀察后發(fā)現(xiàn),是因為使用了多段二次函數(shù)的圖象,但是在連接處并不平滑,造成圖形看起來十分生硬.
問題:怎樣完美處理多條二次函數(shù)曲線端點處的平滑?
為了能讓圖形看起來更加流暢連貫,我想能否使用三次函數(shù)來減少函數(shù)的連接次數(shù),使函數(shù)圖象看起來更加流暢呢?因此我開始著手研究三次函數(shù).
探索1:二次函數(shù)y= ax2+ bx +c乘上(x+d)得到三次函數(shù)
把二次函數(shù) f(x)=ax2+bx+c乘以(x+d)得到三次函數(shù)g(x)=(ax2+bx+c)(x+d).我發(fā)現(xiàn)當二次函數(shù)、f(x)的△=0時,三次函數(shù)g(x)一定和二次函數(shù)f(x)相交在f(x)的頂點處(圖1);當二次函數(shù)f(x)的△>0時,三次函數(shù)g(x)和二次函數(shù)f(x)有三個交點,有一個是x+d =1時對應的點,另外兩個點是二次函數(shù)f(x)和x軸的交點(圖2);當二次函數(shù)f(x)的△<0時,三次函數(shù)g(x)和二次函數(shù)f(x)僅有一個交點,即x+d=1時三次函數(shù)對應的點(圖3).然而這些發(fā)現(xiàn),并不能完全幫助我快速地通過圖象寫出對應的三次函數(shù).我就繼續(xù)上網(wǎng)查找有關三次函數(shù)的各類資料.
探索2:利用圖形計算器定點求出三次函數(shù)表達式
通過網(wǎng)絡上關于三次函數(shù)的自學,發(fā)現(xiàn)三次函數(shù)是一片廣大的數(shù)學領域,這在我未曾接觸前,是無法想象的.它帶給了我震撼和全新的感覺,我開始認真地學起來,了解三次函數(shù)的圖象性質、對稱中心、盛金公式、卡爾丹公式.在看盛金公式時,我看到第二步用導數(shù)化簡,我就琢磨導數(shù)義是什么,好奇心驅使下我義查了許多關于導數(shù)的資料,更是讓我進入了另一片奇特的世界.經(jīng)過不斷的學習我終于對三次函數(shù)、導數(shù)等知識有了一定的了解.
但是具體作圖時,在使用幾個點模擬曲線的過程中,還是遇到了不少的困難.比如俞超同學他要做蓮花需要在好幾個地方作圓,但是他用r=a作圓只能以原點為同心,無法移動.這也讓我意識到魚的眼睛只能做在原點而不能移到其他地方去.共同的問題,可以共同解決,老師在得知這個情況后,為我們補講了網(wǎng)的參數(shù)方程,我們才知道只要用圓的參數(shù)方程,就能把圓的圓心移到任何想要的地方去.說也奇怪,平時學新知識,總不會那么快接受和順利運用,但這次在圖形計算器的幫助下,很快地,我們都能得心應手地面出需要的圖形了.我也把我遇到的問題拿去和同學交流.施同學認真耐心地一步一步教我如何用圖形計算器的統(tǒng)計功能得出函數(shù).先在圖形中找到函數(shù)經(jīng)過的幾個點,然后記錄下來,用統(tǒng)計中的calc功能選擇想要模擬的函數(shù)(如圖5).
學會這個以后,簡直如虎添翼,我以前十幾分鐘才能得到的函數(shù),用圖形計算器的統(tǒng)計方法,只要幾分鐘就算出來了.在不斷努力下我成功用三次函數(shù)改進了圖形,做出來的圖形看起來果然比一開始用二次函數(shù)做的流暢許多(如圖6).
探索3:利用端點處兩側導數(shù)逼近相等處理曲線的光滑度問題
前面使用三次函數(shù)來減少函數(shù)的連接次數(shù),使函數(shù)圖象看起來更加流暢,雖然起到了一定的效果,但是并未從根本上解決多個曲線連接時端點處的光滑度不夠的問題.老師了解后提示我用導數(shù)方法來處理,就是利用端點處兩側導數(shù)逼近相等,可以讓端點兩側曲線的斜率分別左右逼近相等,那么在圖形上的表現(xiàn)就是光滑的.
因為在制作圖形時經(jīng)常使用二次函數(shù),所以先從如何使二次函數(shù)連接處導數(shù)相等開始探究.
開始我以為這個問題很簡單,只要求導數(shù),再讓導數(shù)相等就可以.但在實際操作中,發(fā)現(xiàn)要使想要的圖形導數(shù)相等很困難,因為很可能出現(xiàn)圖形是我想要的但其連接處導數(shù)不相等,連接處導數(shù)相等的圖形卻不是我想要的情況.一開始我的思路是先使得連接點處的導數(shù)相等,再以此來調整函數(shù)的圖形,可是用這個方法令導數(shù)相等不難,但要使圖形變成我想要的就只能硬湊,不斷調整,不僅麻煩,而且效率低.
為了尋找更簡單易行的方法,我思考能否先把想要的圖形大致求出,然后通過導數(shù)相等對圖形進行微調,最后達到連接處導數(shù)相等的目的.
在具體的操作過程中,兩個函數(shù)明顯變量過多,不易于操作,我們首先可以用圖形計算器的統(tǒng)計功能得出函數(shù),先在圖形中找到函數(shù)經(jīng)過的幾個點,然后記錄下來,用統(tǒng)計中的calc功能選擇想要的函數(shù),圖形計算器就可以快速地算出你想要的函數(shù)表達式.這樣就可以利用圖形計算器定點求出二次函數(shù)表達式功能,再利用(*)式,對已知的函數(shù)進行微調,從而使端點處導數(shù)值相等.
收獲:圖形計算器讓我愿意主動挑戰(zhàn)未知
對圖形計算器的研究,激發(fā)了我對數(shù)學的興趣,漸漸讓我對它愛不釋手了.我從以前的被動學習變?yōu)楝F(xiàn)在的主動學習,也很愿意向未知的領域探索.這讓我想起了我一個初中的同學,他非常喜歡數(shù)學.初三時,大家都在緊張復習,他則在找高中的數(shù)學書和各種關于數(shù)學的課外書看.每天都會向其他同學講述他昨天學到的數(shù)學知識,當時我覺得他傻傻的,但現(xiàn)在我明白了他是為了喜歡而學習,而我是為了學習而學習.在圖形計算器社里我對此深有體會,當自己喜歡和好奇時,就會不由自主地去學習.
點評 張賓心同學寫這篇論文時,尚未接觸導數(shù)這一內(nèi)容.端點處光滑問題的處理,涉及微分的知識,是有較大難度的,但是,使用圖形計算器研究圖形讓他對學習產(chǎn)生了巨大的興趣,為了能夠找到方法解決問題,他從學過的知識入手,對問題進行初步探究,并通過搜索網(wǎng)絡知識和詢問老師,自學三次函數(shù)和導數(shù)的知識,較好地解決了這一問題.問題,是數(shù)學學習的靈魂;興趣,是支撐我們前行的動力.讓我們時刻懷抱一顆好奇心,去探知我們未知的世界.