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一,
前段时间因为关注丘成桐女子数学竞赛,看到了里面一道能让我眼睛一亮的数学题:
这道题只有短短一行,看似其貌不扬,却是一道绝好的数学题,非常能考察数学才华和天赋。

二,

解这道题的要点是平面的伸缩变换,这种伸缩变换可以将这个椭圆变成半径为a的圆,把椭圆内任何图形的面积都变成原来的 a/b倍
所以,只需求圆的内接六边形面积的最大值,就是内接正六边形的面积。

三,
写到这里,我不禁想到《中小学数学要义》中第56个问题
和上面那道丘成桐女子竞赛题目一样,这道题目也是利用伸缩变换可以将这个椭圆变成半径为a的圆,把椭圆内任何图形的面积都变成原来的 a/b倍。
四,

但是,问题来了:
为什么这种伸缩变换把椭圆内任何图形的面积都变成原来的 a/b倍?
回答了这个结论,才能完整解答这两道题目。
如果是针对边长和坐标轴平行的长方形,这个结论是明显成立的。
而任意平面图形都可以用这种长方形无限逼近。
用简单图形逼近复杂的图形求面积体积,这就是穷竭法,《中小学数学要义》中有专门章节讲解穷竭法:

课后习题中,我们还要求读者用穷竭法解答问题56
五,

所以,丘成桐女子竞赛这道求椭圆内积六边形面积最大值的题目,和《中小学数学要义》第56题求椭圆面积,两道题目背后考察的,是同样的底层逻辑,那就是,
平面的伸缩变换,和穷竭法。
这两个话题真可谓是初等数学的精髓!
但是,很遗憾,中小学数学教材中几乎不讲平面变换和穷竭法,只有小学数学教材中的估计树叶面积的专题,带有穷竭法的一点点最简单的思想。

教材都是会不断改进的,会越来越精练,越来越现代化,和现代数学接轨。比如50年前的国内数学教材居然还查平方表,查立方表,以及求平方根的专门章节内容,计算器普及的今天这些非常low的内容早就被淘汰了。
那么50年,或者100年后的数学教材会是什么样子的呢?
我希望那个时候的新教材会添加平面变换和穷竭法的内容。实际上,撰写《中小学数学要义》的指导问题就是
100年以后的数学教材会是什么样子?

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