在数学学习中,如何通过第一性原理真正理解公式?

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

嗨,朋友,这个问题问得特别好,说明你已经不满足于“死记硬背”了,这是学好任何一门硬核知识最关键的一步。我分享一下我的经验,希望能帮到你。

忘掉“第一性原理”这个听起来有点吓人的词,把它想象成“刨根问底”或者“回到原点”。在数学里,就是把一个公式打回原形,看看它到底是怎么从最最基本的概念(比如定义、公理)一步步推出来的。

这么说可能还是有点抽象,我们拿一个最简单的例子:圆的面积公式 S = πr²

大部分人的学习方式(死记硬背): 老师说:“记住啊,圆的面积公式是S等于π乘以r的平方。” 然后你点点头,“哦”了一声,开始做题,把半径代进去,算出面积,搞定。下次考试只要还记得这个公式,就没问题。但万一哪天你忘了,或者题目变了个形,你就可能卡壳。你心里其实是虚的,因为你不知道它为啥长这样。

用“刨根问底”的方式学习: 你看到这个公式,心里冒出几个问题:

  1. 为啥是r的平方?不是r的三次方?或者就只是r?
  2. 这个 π 到底是从哪冒出来的?它和面积有什么必然联系?

好,带着这几个问题,我们开始“回到原点”:

第一步:回到最基本的概念。 什么是“面积”?一个图形内部空间的大小。我们最熟悉的面积公式是什么?长方形的面积 = 长 × 宽。这是我们的“原点”之一,一个我们完全理解、不需要证明的知识点。

第二步:想办法把“新问题”和“原点”联系起来。 圆是弯的,长方形是直的,怎么联系?这里就需要一点想象力,这也是数学好玩的地方。

想象一下,你把一个披萨(圆形)切成非常非常多的小块(比如几百块),每一块都像一个极瘦的三角形。

现在,你把这些小块像梳子齿一样,一半朝上一半朝下地拼在一起。

当你切得足够足够细的时候,拼出来的这个图形会越来越像一个什么?—— 一个长方形!

第三步:分析这个“新图形”的参数。 这个近似长方形的:

  • 是多少?就是原来那个披萨小块的边长,也就是圆的半径 r
  • 是多少?是所有朝上(或朝下)的那些小扇形的弧长加起来。你把整个圆的边(周长)分了一半给上面,一半给下面。所以,这个长方形的长就是圆周长的一半

第四步:用已知的“原点”来计算。 我们知道:

  • 圆的周长公式是 C = 2πr (这个可以作为另一个“刨根问底”的起点,但我们先假设它是已知的)。
  • 那么,这个长方形的长就是 (2πr) / 2 = πr
  • 这个长方形的高是 r

好了,长方形的面积 = 长 × 宽 = (πr) × (r) = πr²

结论: 你看,我们从“长方形面积”这个最基本的知识点出发,通过“切分”和“拼接”这两个简单的动作,一步步把圆的面积公式给“造”了出来。

经过这么一折腾,你再看 S = πr² 这个公式,它在你眼里就不再是一堆冰冷的符号了。

  • 你看到了那个被无限切分的圆。
  • 你看到了那个由无数小扇形拼成的、长为πr、高为r的长方形。
  • 你理解了π和r²是怎么“合作”来表达一个圆的内部空间的。

这时候,你才算真正理解了这个公式。你甚至可以在忘记公式的时候,自己把这个过程在脑子里过一遍,重新把它推出来。这感觉是不是踏实多了?

总结一下,如何用“刨根问底”法理解公式:

  1. 别怕它,质疑它:拿到一个新公式,先别急着背,问自己几个“为什么”。
  2. 回到原点:想想这个公式涉及的最基本定义是什么?你最熟悉的、跟它相关的知识是什么?(比如从长方形面积到圆的面积)
  3. 动手+想象:拿笔画一画,或者在脑子里构建一个模型(切披萨就是个好例子),想办法把“未知”转化成“已知”。
  4. 自己推一遍:跟着参考书或者视频,亲手把推导过程走一遍。关键不是记住推导过程,而是理解每一步的逻辑——“为什么要这么做?”。
  5. 建立联系:想想这个公式还能和哪些知识点联系起来?比如,理解了圆的面积,再去想球的体积,它们之间是不是也有类似的“切分”思想?

这个过程一开始可能会觉得有点慢,有点“费劲”,但相信我,一旦你习惯了这种思维方式,你会发现数学世界的大门才真正向你敞开。它不再是考试的工具,而变成了一个充满逻辑美感和创造乐趣的游乐场。