学生如何通过第一性原理真正理解数学公式,而非仅仅死记硬背?例如,勾股定理能否还原到“直角三角形与面积”这些最根本的数学事实?

博 周
博 周
Entrepreneur, leveraging first principles for innovation.

这个问题问得特别好,这正是学数学甚至学任何科学的关键。很多人觉得数学是天才的游戏,其实很大程度上只是方法问题。死记硬背是把数学当成了一本需要背诵的“说明书”,而真正理解是把数学当成一个可以自己动手搭建的“乐高世界”。

咱们就拿你说的勾股定理(a² + b² = c²)来举个例子,看看怎么不用“背”,而是把它“玩”出来。

第一步:回到最原始的场景

忘掉公式。我们现在只有两个最基本、最不需要证明的“常识”:

  1. 我们知道什么是直角三角形(有一个角是90度)。
  2. 我们知道怎么算一个正方形的面积(边长 × 边长)。

好,现在我们开始。

第二步:动手“拼图”

想象一下,你手里有四个一模一样的直角三角形。它们的短边分别是 ab,最长的那条斜边是 c

现在,我们来玩个拼图游戏。找一块大木板,在上面拼一个大的正方形。怎么拼呢?把这四个三角形的 a 边和 b 边连起来,让它们分别朝向外面,像风车一样。

你看,拼完之后,我们得到了一个由四个三角形和一个中间的空洞组成的大正方形。

(你可以想象一下这个画面,或者在纸上画一下)

第三步:从两个不同角度计算“面积”

现在最关键的一步来了。我们用两种方法来算这个“大正方形”的总面积。

方法一:最直接的算法 这个大正方形的边长是多少?你看图就能发现,它的边长正好是一个 a 边加上一个 b 边。所以边长是 (a+b)。 那么,这个大正方形的总面积就是:(a+b) × (a+b),也就是 a² + 2ab + b²。 这很简单,对吧?就是初中学的乘法展开。

方法二:拆开来算 这个大正方形是由什么组成的?是由我们刚刚放上去的“四个三角形”和“中间那个洞”组成的。

  • 一个三角形的面积是:(底 × 高) / 2,也就是 (a × b) / 2
  • 四个三角形的面积就是:4 × (ab/2),也就是 2ab
  • 中间那个洞是什么形状?它也是一个正方形!它的四条边正好是四个三角形的斜边 c。所以,中间这个小正方形的面积就是:c × c,也就是

那么,用这个方法算,大正方形的总面积就是这几块拼图的面积之和:2ab + c²

第四步:见证奇迹的时刻

我们刚刚用两种方法计算了同一个大正方形的面积。既然是同一个东西,那面积肯定相等啊!所以:

a² + 2ab + b² (方法一的结果) = 2ab + c² (方法二的结果)

现在,我们把等式两边都有的 2ab 去掉。剩下什么?

a² + b² = c²

你看,勾股定理就这么出来了。它不是一个需要你“背”的咒语,它是一个从“图形面积计算”这个更基本的事实里,自然而然推导出来的结论。你只要承认正方形面积是边长的平方,并且承认整体等于部分之和,你就必然会得到勾股定理。

如何把这种思想应用到其他公式?

这个“还原”的过程就是第一性原理的精髓。以后你再遇到任何一个公式,都可以尝试这样去“攻击”它:

  1. 问自己:这个公式是用来干嘛的? 它描述了什么东西之间的关系?(比如勾股定理描述了直角三角形三条边的关系)
  2. 再问:构成这个公式的最基本元素是什么? (对于勾股定理,是“边长”和“直角”)
  3. 尝试用你已知的、更简单的知识去重新把它推导一遍。 能不能用画图、拆分、组合、或者一个简单的思想实验来把它“造”出来?(就像我们刚刚做的拼图游戏)

比如,你学圆的面积公式 πr² 时,可以想象把一个圆切成无数个极细的“披萨角”,然后把这些角交错拼起来,它就会越来越像一个长方形。这个长方形的长是圆周长的一半(πr),宽是半径(r),所以面积是 πr²

这个过程一开始会觉得有点慢,甚至有点“笨”,但一旦你习惯了,你对知识的理解会发生质变。你不再是一个知识的“使用者”,而是一个知识的“创造者”。这不仅能让你真正学懂数学,更能培养一种深入思考、解决未知问题的核心能力。