Size:px
Start display at page:
Download "Since 1990 s Hawgent 皓骏动态数学课程系列 动态数学范例教程 深入学科, 彻底突破数学教学和数学学习中的重点难点问题 开展数学实验 数学教学 数学学习和数学研究的必备工具 皓骏 ( 广州 ) 数学技术中心 Hawgent Technology Centre in Mathemat"
1 years agoViews:
Transcription
1 Since 1990 s Hawgent 皓骏动态数学课程系列 动态数学范例教程 深入学科, 彻底突破数学教学和数学学习中的重点难点问题 开展数学实验 数学教学 数学学习和数学研究的必备工具 皓骏 ( 广州 ) 数学技术中心 Hawgent Technology Centre in Mathematics
2 内容介绍 Hawgent 皓骏提供了功能强大 操作简便的工具, 但并不希望作为数学教师的我们将大量的时间和精力耗费在学习技术和制作资源方面, 因此也提供了大量与课程教学 探究实验 自主学习等方面的资源, 从小学到高中, 从课内到课外, 具有几千件, 并且还会不断补充和更新 不过, 仍然有许多数学教师或者在校师范生希望自己尝试动手做一做, 或者按照自己的设计制作出更有个性化的作品 Hawgent 皓骏团队为了满足部分人的愿望, 于是就编写了这本教程 这本教程以学习制作常用的教学资源为主线 以介绍 Hawgent 皓骏动态数学软件的主要功能为目标, 故为范例教程 这是第一版本, 必定还存在许多的不足 在使用过程中, 如有任何问题或建议, 还望不吝赐教 欢迎联系我们 邮件 QQ 群:
3 目录 第一部分动态数学入门 什么是动态数学 了解 Hawgent 皓骏 认识软件界面... 7 第二部分几何图形与变换 经过一点的直线 三角形的三条高线 测量三角形的内角和 三角形内角的直观说明 勾股定理的直观说明 在平面上滚动的车轮 圆在圆上滚动 翻折得到轴对称图形 等分圆周设计的图案 直线与圆的位置关系 圆与圆的位置关系 研究圆幂定理 毕达哥拉斯树 二叉树 多边形的密铺 密铺曲线 平面中的变换 第三部分函数 方程及图像 二次函数的图像 反比例函数的图像 指数函数及其反函数的图像 参数方程曲线 极坐标方程曲线 分段函数的图像 描点连线画函数图像 美丽的玫瑰线 根据通项公式画数列的图像 根据递推公式画数列的图像 第四部分解析几何问题 固定长度的线段在滑动 斜率之积为定值的两直线交点的轨迹 根据定义构造椭圆和双曲线 根据定义构造抛物线 构造标准圆锥曲线 研究圆锥曲线的光学性质 多驱动点下的轨迹 第五部分三角函数关系
4 5.1 利用正弦线画正弦函数的图像 y=sin(x)-> 3sin (2x+pi/4) 的动态变换 由两边及一边对角解三角形 三角函数曲线的变换 正弦波的叠加 第六部分算法与编程 Hawgent 皓骏的编程环境 了解系统中的函数 求最大公约数的程序 判断是否为闰年的程序 第七部分概率与统计 随机得到一个 100 以内的自然数 模拟随机抛硬币实验 掷骰子实验 利用抛豆估计 π 模拟转盘游戏 第八部分专题介绍 变量尺 属性对话框 案例的操作 截图工具 对象间的关联 视口的作用 对象组 作图规则 对象的轨迹 对象的跟踪 两类迭代 文本与公式 初识测量 插入多媒体 语音合成 统计表格 动作按钮 图形变换 程序设计
5 第一部分动态数学入门 1.1 什么是动态数学 任意三角形 ABC... 点P在圆上 O 上运动过程中... 周长固定的长方形..., 这些都是我们常用的几何语言 这些语言所对应的情景, 在传统教学手段下, 只能要求学生充分发挥想象能力 相对于我们所生活的多姿多彩的空间而言, 高度抽象化了的语言以及图形对于刚学习数学学生来说是难以接受的 计算机的出现使这种现象渐渐发生改变 利用计算机所作的图形不仅直观 形象, 而且具有动态性, 易于观察和理解 若利用计算机所作的几何图形, 在被拖动过程中仍保持几何性质不变, 如三角形还是三角形 圆上的点还是圆上的点 平行还是平行 垂直还是垂直 中点还是中点..., 那么这样的图形就称为动态几何图形 构造动态几何图形的计算机软件, 就叫做动态几何软件 (Dynamic Geometry Software) 动态几何的名称于上世纪 80 年代中期开始出现, 经过了 20 多年的发展, 动态几何吸引了越来越多人的关注, 它在数学教育上的价值已经得到充分肯定 目前具有动态几何功能的软件就有几十种, 其中被中国数学教师所广泛了解的就有 Geometer's Sketchpad Hawgent 皓骏 Z+Z 超级画板 Cabri AutoGraph Derive GeoGebra 等 由于计算机在动态几何方面的成功, 也促使人们开始研究计算机在数学的其他领域的教育功能 因此, 计算机代数系统 (Computer Algebra System) 动态统计软件(Dynamic Statistics System) 随机实验平台(Probability Simulation Platform) 等相继出现并被广泛实验应用 计算机代数系统最重要的应用就是数值计算与符号运算 动态统计软件能方便地处理大量的数据并且按照人们所熟悉的形式展现 随机实验平台能够模拟概率事件并且自动记录和计算实验结果 动态几何软件 计算机代数系统 动态统计软件 随机实验平台等都属于动态数学软件 (Dynamic Mathematics Software) 可以说 : 动态数学的出现, 让数学和数学教学的面貌焕然一新 因为, 它能 : 让数学变得更直观 更形象 更便于理解, 从而帮助更多的人学好数学 ; 让数学变得更有趣 更好玩 更有吸引力, 从而帮助更多的人喜欢数学 1
6 1.2 了解 Hawgent 皓骏 Hawgent 皓骏动态数学软件能够处理几何 代数 三角 概率 统计 算法 微积分等数学知识内容 目前已经实现的核心功能主要包括以下几个方面 : 动态数学作图能够直接构造出几十种常见的几何图形, 当图形被拖动 平移 旋转或放缩过程中, 图形之间的几何性质始终保持不变 具体来说, 包括 : 点:能直接绘制直线 圆弧 曲线 轨迹等对象上的点, 中点 垂足 坐标点 比例点 旋转放缩点 直线或圆锥曲线上的参数点, 两条直线的交点 直线与圆锥曲线的交点 直线与圆弧的交点, 等等 直线 : 能直接绘制向量 射线 直线, 平行线 垂线 角平分线 一个点和一个约束条件确定的直线 两个约束条件确定的直线 一次方程对应直线 两圆的公切线 圆锥曲线的切线 多边形 : 能直接等腰三角形 直角三角形 等边三角形 平行四边形 等腰梯形 正方形 ( 圆内接 / 圆外切 ) 正n边形等,n 可以是字母或表达式 圆:能直接绘制已知圆心和半径的圆 (3 种方式 ) 已知圆心和切线的圆 已知直径的圆, 经过三个点的圆 圆弧 : 能直接绘制经过三个点的圆弧 角所对的圆弧 已知圆上的弧 标注 : 能直接对线段和角进行标注, 并可以设置标注符号的数量 间隔值 长度等, 标注符号可以被单独选中 一般函数 / 方程曲线 : 直接输入即可绘制对应的曲线, 表达式可以是显性方程 参数方程或极坐标方程, 表达式中的系数 自变量范围 曲线样点个数可以是字母或表达式, 可以设置是否画样点 样点大小 样点的间断值 是否填充为矩形区域 是否绘制折线段等属性 二次曲线 : 可直接绘制过三个点的标准抛物线 过五点的一般圆锥曲线 二次方程对应的二次曲线 已知焦点准线和离心率的圆锥曲线 已知焦点并过定点的椭圆 / 双曲线 已知焦点和长 / 实半轴的椭圆 / 双曲线 迭代 : 包括几何迭代和变量迭代 ; 几何迭代中可显示或隐藏迭代中的某个对象 ; 变量迭代中可具有多个迭代变量, 可设置迭代变量的初始值和表达式, 迭代变量可作为点的坐标绘制对应的图像 ; 可选择是否完整迭代, 迭代次数可以是字母或表达式 2
7 动态图形变换包括反射 平移 旋转 放缩 仿射 中心对称 点绕点旋转放缩等变换方式 ; 选择要进行变换的对象和变换的条件, 可以直接进行图形变换 ; 若变换的条件是动态的或是参数, 那么变换图形会根据变换条件的改变而改变 反射变换 : 选中要变换的对象和作为对称轴的直线即可直接进行反射变换 平移变换 : 指定要平移的对象和两个点确定的向量即可直接进行平移 ; 选中要变换的对象然后分别输入 x 轴平移量 y 轴平移量即可进行平移, 这里的平移量可以是字母或者表达式 旋转变换 : 指定要旋转的对象 旋转中心 旋转角度即可进行旋转, 其中旋转中心还可以通过输入 x 坐标 y 坐标的方式而实现, 这里的 x 坐标 y 坐标 旋转角度均可以是字母或者表达式 放缩变换 : 指定要变换的对象 放缩中心 沿x轴放缩量 沿y轴放缩量即可进行放缩, 其中放缩中心还可以通过输入 x 坐标 y 坐标的方式而实现, 这里的 x 坐标 y 坐标 沿x轴放缩量 沿y轴放缩量均可以是字母或者表达式 中心对称点 : 指定要变换的点和对称中心即可做出中心对称点 旋转放缩点 : 指定要变换的点 中心 旋转角度和放缩倍数即可做出旋转放缩点, 这里的旋转角度 放缩倍数均可以是字母或者表达式 仿射变换 : 可以进行坐标系到三角形的仿射变换, 也可以进行三角形到三角形的放射变换 动态测量计算具体来说, 包括 : 能够测量点的坐标 两点的距离 点到直线的距离 角度 两直线的夹角 多边形的面积 随机整数 随机浮点数等等 3
8 测量结果能够自动以 字母 + 数字 的变量形式被记录, 测量结果能够参与计算 ; 测量和运算的结果允许利用指定的变量进行表示和记录 具有嵌套测量功能, 即支持形如利用 n 直接表示 f(n) 的测量形式和结果 当图形发生变动时, 测量和计算结果会对应发生改变 支持数值计算和符号运算 程序运行环境它的功能包括 : 具有能够编写程序 运行程序的环境 支持数值计算和符号运算 支持赋值 判断 循环等语句 ; 能够自定义函数, 也可以调用系统内部的函数, 函数的参数支持通过鼠标选择和键盘输入等方式获得 每个程序按钮可以有多个动作, 按钮的动作可以自动连续播放, 可以设置不同动作之间自动播放的等待时间 随机过程模拟具体来说, 包括 : 根据系统提供的随机数 符号函数 动画控制函数等函数可以进行随机过程实验, 例如模拟抛硬币 抛豆子和掷骰子等随机实验过程 ; 在随机实验进行过程中, 能够即时统计实验过程中的实验的总次数 每种结果出现的次数和频率等数据 4
9 动态数据处理能够生成统计表格, 可以同时显示统计表格对应的柱形图 折线图和饼形图 统计表格能够与曲线关联, 显示绘制曲线样点的纵 横坐标 能够自动计算 记录和显示变量迭代中的数据 具有回归分析 函数拟合等功能 智能公式文本 : 具有普通文本和公式文本, 在普通文本中文本内容能够自适应文本的宽度, 在公式文本中利用键盘输入的数学公式能够自动以传统格式显示, 包括分数 根式 乘方 求和 求积 向量 上标 下标 上文本 下文本 方程组 不等式组 文本颜色 填充颜色等格式和内容 5
10 动态参数控制大致来说, 包括 : 变量控制框 : 可同时设置多个变量, 为每个变量分别设置最小 ( 大)值变化间隔 小数位数 是否以 π 为单位等属性 变量拖动尺 : 每个变量尺可单独设置变化范围和小数位数, 能拖到左右端点位置 动画控制框 : 可对所有半自由点控制运动或停止, 能分别设置每个对象的运动类型 运动步数 运动间隔时间等 对象跟踪轨迹跟踪 : 所有数学对象均可以被跟踪, 单击作图区空白处跟踪不会消失但可以被擦除并重新显示, 可以设置跟踪样本的数量 轨迹 : 主动点可以有单个或多个, 可以针对每个主动点设置运动区间 每个运动区间的运动次数 运动的总次数 运动类型 绘图的最小间断值等 6
11 自动推理计算具体来说, 包括 : 能自动记录几何图形之间的逻辑关系, 从而使得图形在变化过程中数学性质保持不变 根据图形之间的逻辑关系, 能够自动推导和计算图形之间的代数关系, 从而能够实现图形变换 动态测量 几何迭代 轨迹生成等过程 具有智能推理和计算功能 : 测量得到的结果, 能够继续进一步的运算 ; 能够利用指定的变量记录测量或运算的结果 能够自动求解方程 方程组 不等式等常见代数问题 动态资源管理媒体对象 : 具有普通文本和公式文本, 左右拖动普通文本边界时内容能自动换行, 公式文本包括分数 根式 乘方 积分 上下标 乘积 求和 文本颜色 填充背景 下文本 上文本 向量 上划线等格式和内容 ; 能够插入图片 音频 视频和语音合成等对象 对象编辑 : 对象能够前后移动 ; 文本 / 图片能够与点进行关联 ; 点/线/圆/曲线 / 文本 / 按钮被复制 粘贴后仍然是点 / 线/圆/曲线 / 文本 / 按钮, 具有宏与迭代功能 命令编辑 : 可以对现有的菜单 命令进行编辑, 也可以自定义作图命令并添加到指定的位置 1.3 认识软件界面 界面吧 为了更加尽快熟悉 Hawgent 动态数学软件的上述功能, 让我们首先了解一下它的工作 Hawgent 动态数学软件启动后窗口如下 : 7
12 利用 Hawgent 动态数学软件工作, 主要就是通过菜单栏中的菜单命令来实现 菜单栏中包括缺省的 文件 编辑 视图 画图 三维 变换 测量 插入 属性 工具 和 帮助 等菜单项 菜单栏下是常用工具栏, 就是将经常用的命令放在这里, 提高我们的工作效率 从左至右, 依次是 : 新建 : 建立一个新的 Hawgent 皓骏文档 ; 打开 : 打开一个新的 Hawgent 皓骏文档 ; 保存 : 保存当前的 Hawgent 皓骏文档 ; 删除 : 删除在工作区中所选择的对象 ; 剪切 : 将所选择的对象, 移动到剪切板当中 ; 复制 : 将所选择的对象, 复制到剪切板当中 ; 粘贴 : 将剪切板中的对象, 粘贴到工作区当中 ; 上一页 : 激活当前文档中的上一个案例, 如果存在的话 ; 下一页 : 激活当前文档中的下一个案例, 如果存在的话 ; 选择 : 让光标 ( 由画图状态 ) 转换到选择状态 ; 画图 : 让光标 ( 由选择状态 ) 转换到画图状态 ; 缩小 : 缩小某个对象 如果什么都不选择, 则缩小坐标系的单位长度 ; 若选择的是点, 则缩小点的大小 ; 若选择的是线段, 则缩小画线的宽度 ; 所选择的是文本, 则缩小文本的字号 ; 放大 : 放大某个对象 如果什么都不选择, 则放大坐标系的单位长度 ; 若选择的是点, 则放大点的大小 ; 若选择的是线段, 则放大画线的宽度 ; 所选择的是文本, 则放大文本的字号 ; 工具栏下面的空白区域就是作图等工作的主要区域, 简称为作图工作区 作图工作区下方是状态栏, 具有 连续选择 的开关, 选择该选项后, 不需要按住 Ctrl 键即可连续选择多个对象 ; 被选择的对象, 其序号会显示在状态栏的右侧部分 8
13 作图工作区右侧是资源管理区, 其中本地资源选项框中可以显示出本地已经加载的资源, 如下图所示, 单击某个目录下方的资源可以直接打开该文件. 在线资源选项卡, 则可以更新和下载 Hawgent 皓骏服务器上所提供的最新资源, 打开 后, 会自动保存到本地. 9
14 第二部分几何图形与变换 2.1 经过一点的直线 在平面上, 经过一个点的直线有多少条呢? 我们可以在计算机上画出经过任意两个点的一条直线, 然后其中一个点位置固定的情况下, 拖动另外一个点, 引导学生探索这个问题 (1) 在新的文档页面中, 勾选状态栏中的连续选择 (2) 单击 图画 工具, 作出两个自由点 A 和点 B (3) 单击 选择 工具依次选择点 A 和点 B, 打开画图菜单, 选择直线 / 直线作出一条直线 (4) 打开画图菜单, 选择跟踪 跟踪直线 AB 拖动点 B, 可以观察到经过点 A 的直线的运动轨迹, 如图 所示 : 图 思考与练习 如上图所示, 蓝色圆以点 A 为中心 经过点 B, 点C是圆 A 上的任意点, 红色圆以 C 为圆心经过点 B( 图2) 当点 C 在圆周上运动时跟踪圆 C 留下的图形, 如图 所示, 这叫心脏线或者苹果曲线 请你自己动手展示生成苹果曲线的过程, 结果如图 所示 图
15 图
16 2.2 三角形的三条高线 利用动态几何软件画出的图形, 其形状可以被任意改变, 而图形在改变过程中, 所包含的几何关系始终保持不变, 这可以帮助我们探索与发现图形中所隐含的内在规律 (1) 在新的文档页面中, 勾选状态栏中的连续选择 (2) 执行 画图 菜单下的 参数点 命令, 输入横坐标 -2, 纵坐标 0, 确定后作出坐标为 (-3,0) 的参数点 A; 同理坐标为 (-3,0) 的参数点 B, 单击 画图 工具在任意恰当位置作出自由点 C, 然后依次连接画任意三角形 ABC (3) 依次选择点 A 和线段 BC, 执行 画图 菜单下 约束点 命令的 垂足 命令作出点 A 到对边 BC 的垂足 D 和垂线段 AD, 同理作出点 B 到对边 CA 的垂足 E 和垂线段 BE; 作出点对 C 到边 AB 的垂足 F 和垂线段 CF (4) 单击 选择 工具, 返回到选择状态 (5) 同时选择直线 AD BE 和CF, 在属性菜单中设置 画线类型 为:虚线 结果如图 所示 : 图 对于垂直关系, 我们往往需要标注出直角符号 例如要将 ADC 的角标注出来, 就首先要选择三个点, 分别是角的始边上的点 角的顶点 角的终边上的点, 然后执行标注角的命令 操作步骤如下 : (6) 依次选择点 A 点D和点 C, 单击 画图 菜单中的 标注角 命令 (7) 重复类似操作标注 BEA 和CFB (8) 选择角的标注符号, 可以通过 属性 菜单中的 填充 工具将其内部填充 结果如图 所示 : 思考与练习 图
17 三角形的三条中线 三条角平分线也分别交于一点, 请你动手完成展示和探索这两个性质的内容 要做三角形中的这类交点, 可以通过 画图 菜单下 点 中的 内心 外心 和 垂心 等命令直接实现 2.3 测量三角形的内角和 利用计算机作出的三角形, 可以被任意改变形状, 能够更加普遍地探究三角形三个内角测量值之和的规律 (1) 在新建文档中, 作点 C 可任意拖动三角形 ABC( 参考 2.2(1)) (2) 依次选择点 A 点B和点 C, 执行 测量 菜单下的 角度 命令, 结果得到 CAB 的测量值, 如图 所示 : 图 当图形比较简单时, 我们一般习惯用角的顶点的名字表示这个角, 例如在这里表示为 B, 所以我们可以将角的名称进行修改 操作步骤如下 : (3) 右击测量文本, 如图 进入编辑状态, 将字符 ABC 修改为 B, 显示位数改为 2 位如图 所示, 然后确认 图图(4) 重复类似操作测量角 A 和角 C 的值, 并且按照上面的要求编辑测量结果名称 (5) 单击 测量 菜单下的 测量表达式 命令, 打开测量表达式对话框 如图
18 所示, 由于之前测量的值分别用 v001 v002 v003 记录, 这是计算机系统自动产生的名称, 而且这样做的好处是 : 之前测量得到的结果容易被以后所运用 图(6) 在 表达式 编辑框中输入 :v001+v002+v003; 然后单击单击 确定 按钮得到测 量结果 图 表达式显示结果 (7) 此时会发现结果为弧度制的 3.14, 我们右击表达式结果, 如图 修改参数 : 变化 图(7) 最后关闭参数对话框, 结果如图 所示 拖动点 C, 观察拖动过程中角度值得 图 拖动点 C, 观察拖动过程中角度值的变化情况 思考与练习 如何测量三角形的外角和? 同时实验探索或检验三角形外角和的规律 14
19 2.4 三角形内角的直观说明 我们可以通过将一个角平移 将另一个角旋转直观地说明了三角形内角和等于平角的道理, 见下节的 思考与练习 在这一节中, 将通过同时两个角旋转来直观说明 (1) 画任意三角形 ABC (2) 选择 A 点和 B 点, 执行 画图 菜单下 约束点 中的 中点 命令作 AB 边的中点 D 同理作出 BC 边的中点 E AC 边上的中点 F (3) 同时选择点 A 点B和点 C, 执行 画图 菜单下 约束点 中的 重心 命令, 作出三角形 ABC 的重心 G 结果如图 所示 : 图 下面要完成以点 E 为中心 以t为旋转角, 将C旋转 : (4) 打开菜单中执行 插入 菜单下 变量 命令, 此时, 在弹出的输入框中填入变量名 :t 最小值 0: 和最大值 180 如图 所示 : 图 确认后出现变量控制尺, 用鼠标拖动线段上的点可以改变变量 t 的值 图 变量控制线条 (5) 依次选择 C E G F 四点 ( 注意 F 在最后 ), 执行 变换 菜单中 旋转 命令, 如图 所示 : 在弹出的用户输入对话框中输入 :t, 单击 确定 按钮完成 结果作 15
20 出点 H 点I点J图(6) 依次选择点 E 点H点I和点 J, 单击鼠标右键, 在快捷菜单中单击 多边形 命令, 作出多边形 FHIJ 结果如图 2.45 所示 : 图*注:以下为方便起见, 在不至于引起歧义的情况下, 在描述执行多级菜单命令的时候约定采用 执行 1 2 n 来代替 执行 1 菜单下的 2 子菜单中的 n 命令 如此次的 作执行 画图 直线 垂线 命令 等价于 执行 画图 菜单下 直线 子菜单中的 垂线 命令, 此外, 有些简单常见的操作往后会不在说明具体操作过程而只是简单描述 下面要完成以点 D 为中心 以-t 为旋转角, 将B旋转 : (7) 依次选择 B E G F 四点 ( 注意 F 在最后 ), 执行菜单中 变换 旋转 命令, 在弹出的用户输入对话框中输入 :-t, 单击 确定 按钮完成 结果作出点 K 点L点M(8) 依次选择点 E 点H点I和点 J, 执行 作图 多边形 命令, 作出多边形 DLMN (9) 依次选择点 A 点D点G和点 F, 执行 画图 多边形 命令, 作出多边形 ADGF 结果如图 所示 : 16
21 图 为了使得图像美观, 可以给三个多边形填充不同的颜色 : (10) 选择一个多边形的, 在 属性 菜单下 填充颜色 命令中选择一种颜色为多边 形设置填充颜色 按此操作给其他两个多边形填上恰当的颜色, 如图 所示 图 拖动变量控制尺上的控制点, 观察变化过程 思考与练习 (1) 将三角形通过如图 所示变换, 可以直观说明三角形的面积等于底边与高的乘 积的一半 请你在计算机上完成能动态展示这一过程的实验 图(2) 将梯形形通过如图 所示变换, 可以直观说明梯形的面积等于上 下底边之和 17
22 与高的乘积的一半 请你在计算机上完成能动态展示这一过程的实验 图(3) 放缩操作和旋转操作的方法类似, 请你动手设计一个放缩对象的变换 18
23 2.5 勾股定理的直观说明 勾股定理是几何中最著名的定理之一, 也叫毕达格拉斯定理 据说毕达格拉斯发现这个定理时认为这是神赐予的, 于是杀了 100 头牛祭祀, 大摆宴席 到今天为止, 证明勾股定理的方法有上百种之多 在本节中我们将通过计算机的动态演示直观地说明勾股定理 (1) 新建一个文档 (2) 执行 画图 参数点 坐标点 命令, 作出坐标点 A(-2,0), 同理作出坐标点 B(2,0) (3) 依次选择点 B 和点 A, 执行 画图 多边形 直角三角形 ( 已知一条直角边的直角三角形 ) 命令, 作出直角三角形 ABC (4) 依次选择点 C 和点 B, 执行 画图 多边形 正方形 命令作出正方形 CBDF (5) 依次选择点 A 和点 C, 执行 画图 多边形 正方形 命令作出正方形 ACFG (6) 依次选择点 B 和点 A, 执行 画图 多边形 正方形 命令作出正方形 BAHI 结果如图 所示 : 下面我们要将正方形 ABIH 分割成四部分 操作步骤如下 : (6) 线段 AI BH, 作线段 AI BH 的交点 J 隐藏线段 AI BH (7) 依次选择点 J 和线段 AC, 作过点 J 与AC 垂直且的直线 作出该该直线与线段 HI 的交点 K 隐藏刚才所作的直线 结果如图 所示 : 19
24 图(8) 依次选择点 J K, 执行 变换 旋转 命令, 输入旋转次数 :1 次, 旋转角度 : 90, 点击 确定 得出 K 绕J旋转 90 度得出的点 L (9) 依次选择点 J K I L, 执行 画图 多边形 多边形 命令, 作出多边形 JKIL (10) 依次选择多边形和点 J, 执行 变换 旋转 命令, 设置旋转次数为 3 次, 角度为 :90 点击 确定 完成该步操作 结果如图 所示 图 将正方形 ABIH 内的四部分分别以不同的向量平移而出, 操作步骤如下 : (11) 作线段 JA JG JF JC, 并分别在这四条线段上作点 M N O P (12) 依次选择四边形 AJ 和点 J 点P, 执行 变换 平移 命令, 作出四边形 AJ 按向量 JP 平移后的图形, 隐藏四边形 AJ, 隐藏线段 JC, 把平移后的四边形的填充颜色改为绿色 20
25 (13) 依次选择依次选择四边形 BJ 和点 J 点M, 执行 变换 平移 命令, 作出四边形 BJ 按向量 JP 平移后的图形, 隐藏四边形 BJ, 隐藏线段 JA, 把平移后的四边形的填充颜色改为绿色 (14) 依次选择依次选择四边形 IJ 和点 J 点N, 执行 变换 平移 命令, 作出四边形 BJ 按向量 JP 平移后的图形, 隐藏四边形 IJ, 隐藏线段 JG, 把平移后的四边形的填充颜色改为绿色 (15) 依次选择依次选择四边形 HJ 和点 J 点O, 执行 变换 平移 命令, 作出四边形 BJ 按向量 JP 平移后的图形, 隐藏四边形 HJ, 隐藏线段 JF, 隐藏点 J, 把平移后的四边形的填充颜色改为绿色 完成后结果如图 所示 图 下面将正方形 CBDE 按照指定的向量平移而出, 操作步骤如下 : (16) 作线段 CD 和BE, 作线段 CD 和线段 BE 的交点 Q, 隐藏线段 CD 和线段 BE (17) 作线段 AF 和CG, 作线段 AF 和线段 CG 的交点 R, 隐藏线段 AF 和线段 CG (18) 作线段 QR, 作线段 QR 上一点 S (19) 依次选择点 C B D E, 执行 画图 多边形 多边形 命令, 作出多边形 CBDE (20) 依次选择依次选择四边形 CBDE 和点 Q 点S, 执行 变换 平移 命令, 作出四边形 CBDE 按向量 QS 平移后的图形, 隐藏四边形 CBDE 线段 QR 和点 Q 把平移后的四边形的填充颜色改为红色 完成后结果如图 所示 : 21
26 图 下面作出两个直角边对应的正方形内部剪切 平移到斜边对应的正方形内部的动画按钮 操作步骤如下 : (21) 执行 插入 常用按钮 对象一次运动 命令, 如图 所示在弹出的对话窗口中把标题改为 : 剪拼, 的程序命令修改为 : ObjAnimation(42,50,3); ObjAnimation(43,50,3); ObjAnimation(44,50,3); ObjAnimation(45,50,3); ObjAnimation(57,50,3); 点击 修改动作 按钮再点击 确定 按钮完成该步操作 图 下面作出还原按钮 操作步骤如下 : (22) 执行 插入 常用按钮 对象一次运动 命令, 在弹出的对话窗口中把标题改为 : 还原, 的程序命令修改为 : ObjAnimation(42,50,4); ObjAnimation(43,50,4); ObjAnimation(44,50,4); ObjAnimation(45,50,4); ObjAnimation(57,50,4); 点击 修改动作 按钮再点击 确定 按钮完成该步操作 下面对作图区中不需要显示的对象隐藏, 具体如下 : (23) 将点 A 点B和点 C 之外的其他所有点隐藏 到现在整个内容就制作完毕, 单击 剪拼 按钮, 结果如图 左所示 ; 单击 还原 按钮, 结果如图 右所示 22
27 图 思考与练习 (1) 在上一节中我们通过旋转的方式直观地说明了三角形内角和为平角 我们还可以将角 A 旋转到角 C 的位置, 然后将角 B 平移到角 C 的位置, 同样能直观地说明三角形内角和为平角这个问题 请你动手完成它的直观展示过程 (2) 过去直接进入证明缺少发现的过程, 因此几何定理仿佛是从天上掉下来的 新课程改革中则强调先从直观发现图形性质, 积累了一定知识之后再进入逻辑论证 这时出现了一个新的问题 : 既然我们发现了图形的性质, 为什么还要进行推理证明呢? 似乎没有这个必要! 怎么让学生感到不能光凭直觉研究图形性质? 请你动手制作了下面的内容, 将左边的图形剪开平移重新组合后得到了右边的图形 并增加一个标题 : 怎么少了一块? 2.6 在平面上滚动的车轮 圆形车轮在水平路面上无滑动地滚动的特点就是圆心在水平方向上经过的距离, 即车轮行驶过的路面长度, 等于车轮在路面上滚动所经过的弧长 根据这一原理, 我们就可以模拟车轮在平面上滚动的过程 首先作出一个路面, 具体操作如下 : (1) 在空白文档中, 作直线 AB, 并在直线 AB 上取点 C 如图图 所示 23
28 图(2) 为后面的步骤操作简便起见, 打开 视图 菜单把 对象框 勾选, 这时我们可 以在打开的对象框中看到各个对象的序号等信息 如图 所示 : 图 接着作出一个会旋转的车轮, 操作步骤如下 (3) 选择点 C 和直线 AB 作执行 画图 直线 垂线 * 命令 (4) 在垂线上作出一点 D, 依次选取 D C 执行 画图 圆和圆弧 已知圆心和半径的圆 命令 (5) 选择点 A C, 执行 测量 距离 得出 AC 的距离, 接着用同样的方法测量 DC 的距离, 再执行 测量 表达式 按图 输入测量表达式, 单击确认 ( 注:其中 v000 是第一次测量的 AC 的距离,v001 是第二次测量 DC 的距离, 本次测量的结果保存在变量 v002 中)图(6) 依次选择点 C 和圆心 D, 执行 变换 旋转, 在弹出的输入框中输入旋转角度 v002 ( 测量表达式的计算结果 ) 如图 所示, 点击确认得到点 E 图
29 (8) 依次选择点 E 和圆心 D, 执行 变换 旋转 命令, 在弹出的输入框中输入旋转次数 3, 旋转角度 90, 点击确认得到与 E 一起等分圆周的另外三个点, 用直线如下图所示把它们连接起来 接下来作点 C 在直线 AB 上运动的动画 (9) 执行 插入 常用按钮 对象重复运动 命令, 在弹出的窗口中按图 图 分别修改 动画 和 停止 的参数 图(注:修改完要按 修改动作 按钮进行保存才能继续下一项操作 ) 确认后得到如下图 所示的动画按钮 图 生成的动画按钮 (10) 在对象列表框中点击去掉 (6) 直线和 (5) 可拖动点 C 前的选钩使得这两个对象隐 藏起来 (13) 分别把余下点的名字隐藏 单击动画按钮, 模拟轮子在水平路面上滚动的过程, 如图 所示 : 思考与练习 图(1) 跟踪车轮上的点 C, 然后再次单击动画按钮, 结果图 生成点 C 的跟踪图形 : 25
30 性质 图 这种由旋转的轮子在无滑动的滚动中而生成的曲线, 就叫做旋轮线 请你研究旋轮线的 (2) 在轮子的半径上任意取一点, 然后跟踪该点, 如图 和图 所示, 是其 中的两种情形 : 图图这种图形也是无滑动滚动的轮子边沿上的点而生成的曲线吗? 它们被称为广义旋轮线 (3) 请你探索得出 (1) 中轨迹图形对应点 C 的轨迹方程, 也进一步尝试得到 (2) 中对应的轨迹曲线方程 (4) 将轮子的半径大小改变, 重新制作上面的内容 26
31 2.7 圆在圆上滚动 在固定圆上滚动的圆, 跟踪其上面的一点所生成的曲线也是摆线 下面制作半径为 r 的动圆在半径为 R 的定圆上滚动的实验 为了方便讨论问题, 在这里我们将圆的半径取为整数 在计算机和数学语言中取整数的函数是 floor(a), 结果表示比 a 小的最大整数 首先作出半径为 floor(a) 的定圆和半径为 floor(b) 的动圆 (1) 在新建文档中, 勾选 视图 菜单中的 对象框, 如图 所示 : 在对象框中勾选 (1) 点O使坐标原点处于可见状态 图(2) 执行 画图 参数点 坐标点 命令, 参考图 作出坐标为 (floor(a)*cos(t), floor(a)*sin(t)), 的点 A 图(3) 以点 O 为圆心 OA 长为半径作圆 (4) 以点 A 为圆心 作半径长为 floor(b) 的圆 执行 画图 直线 射线 作射线 OA 与圆 A 的另一个交点 B 结果如图 所示 : 27
32 图(4) 隐藏圆 A 和射线 OA (5) 作出以点 B 为圆心经过点 A 的圆 假定初始位置时, 圆B与圆 O 相切于点 A, 若点 B 绕O旋转了 t 弧度, 则点 A 绕点 B 旋转的角度是 :t*floor(a)/floor(b) 弧度 下面作出点 A 绕点 B 旋转的对应点 : (6) 依次选择点 A 和点 B 执行 变换 旋转 命令, 设置旋转次数 :1, 旋转角 : 180/pi*t*floor(a)/floor(b), 将点 A 绕点 B 旋转, 得到点 C 和线段 BC 结果如图 所示 : 图(8) 跟踪点 C 下面增加点 A 的动画按钮 设k=floor(a)/floor(b) 当k为整数时, 曲线由 k 支组成, 圆B上的点描完 k 支后 ( 即圆 B 绕圆 A 一周 ), 返回到起始位置 ; 当k为分数 (k=g/h,g h 为互素的整数 ) 时, 曲线由 g 支组成, 圆P上的动点描完 g 支后 ( 即圆 P 绕圆 O 旋转 h 周), 返回到起始位置 在这里, 当k为整数时, 让圆 P 绕圆 O 滚动一周 ; 当k为分数时, 让圆 P 绕圆 O 旋转 floor(b) 周(若用 m 表示 floor(a) 与floor(b) 的最大公约数, 则旋转 floor(b) 周的过程中, 是m次的循环 ) floor(a) 被floor(b) 整除 可以用 floor(a)/floor(b) 的小数部分小于任何一个正数 这句话解释 ; 表示成计算机的数学语言就变为 :(k-floor(k))0 上面的表达式, 当floor(b) 为负数时也成立, 请自己验证 (9) 打开测量表达式对话框, 计算 floor(a) 的值, 计算 floor(b) 的值, 计算 floor(a)/floor(b) 的值 其中 floor(a)/floor(b) 用变量 v002 记录 (10) 执行 插入 常用按钮 变量一次运动, 参考图 增加点参数 t 的动画按钮, 标题改为 画图, 命令改为 : ClearAllTrace(); VarAnimation(t,0,sign(v002-floor(v002))*floor(b)*2*pi+(1-sign(v002-floor(v002)))*2*pi,100,3); 确定后作出变量 t 的按钮 28
33 图 说明 :ClearAllTrace() 的作用是清除一起所画的轨迹 增加可以控制定圆 动圆半径的按钮 操作如下 : (11) 仿照 (11) 增加改变参数 a 的按钮 如图 所示 : 标题改为 圆O的半径, 命令改为 : VarAnimation(a,0,k,1,3); 第二个参数框填入 :n: 请输入参圆 O 的半径值确定后作出变量 b 的按钮 29
34 图(12) 类似地增加改变参数 a 的按钮 标题改为 圆B的半径, 命令改为 : VarAnimation(b,0,k,1,3); 第二个参数框填入 :n: 请输入参圆 B 的半径值确定后作出变量 b 的按钮 对作图区中的内容进行整理, 操作如下 : (13) 隐藏点 A, 隐藏 floor(a)/floor(b) 的测量文本 (14) 将floor(a) 的测量文本的名称修改为 a=, 将floor(b) 的测量文本的名称修改为 b= 调整位置, 结果如图 所示 : 图(15) 设置点 C 的跟踪对象的颜色, 并将其移动到最后 单击 动画 按钮, 输入圆 O 半径 2, 圆B半径 2, 结果如图 所示 : 30
35 图 多次改变动圆的半径, 再次单击 动画 按钮, 其中之一结果如图 所示 : 图 思考与练习 (1) 在这里, 我们所设计的实验中,a 和b的值能不能为负数, 若为负数会有怎样的结果? (2) 请你设计一个动圆在定圆内部滚动的实验 31
36 2.8 翻折得到轴对称图形 轴对称图形有什么特点? 如何设计轴对称图形? 利用仿射变换和计算机的直观动态展示, 可以加深学生轴对称图形相关概念和性质的理解 首先作出以坐标原点 O 为中心的椭圆, 并作出椭圆的左顶点和上顶点 操作如下 : (1) 执行菜单 画图 圆锥曲线 二次方程曲线 命令, 如图 所示, 在弹出的圆锥曲线作图对话框中, 修改表达式, 设置长半轴为 3, 设置短半轴为 :2, 单击 确定 按钮完成 打开对象列表窗口, 使坐标系和原点 O 处于可见状态, 结果如 图所示 : 图图(2) 执行 画图 参数点 坐标点 命令, 在如图 2.8.3( 左)的输入框中, 输入左顶点的坐标 (-3,0) 作出左顶点 A 类似操作, 作出椭圆的上顶点 B(0,2) 然后在椭圆上任取一点 C 结果如图 2.8.3( 右)所示 : 图
37 作出以 AOB 为一角的平行四边形和以 COB 为一角的平行四边形, 操作如下 : (3) 依次选择点 A 点O和点 B, 执行 画图 多边形 平行四边形 命令, 作出平行四边形 AOBD; 同理, 依次选择点 C 点O和点 B, 作出平行四边形 COBE 如图 所示 : 图 拖动点 C, 四边形 COBE 就像一扇门, 以OB 直线为轴转动着 而四边形 AOBD 就像一扇静止的门 若将一个图形 画 在这扇转动的门上, 那么就可以动态 直观地展示图形的翻折过程了 那就是建立一个仿射变换, 从点 O 点A点B确定的坐标系到点 O 点C点B确定的坐标系之间的一个变换 然后将在当前坐标系中画出的图形进行仿射变换即可 具体操作步骤如下 : 下面我们任意画一个图形, 然后按照指定的仿射变换进行变换 操作如下 : (4) 任意画三角形 FGH (5) 如图 所示 : 在窗口右侧的程序标签栏中输入 : AffineTriangle(19,3,1,4,5,1,4); 然后按 F8 执行, 即可作出三角形 FGH 从三角形 AOB 到三角形 COB 的仿射变换图像 图(6) 给变换后的图像填充上黄色, 拖动点 C 观察图形的运动 也可作出点 C 点动作按 钮来进行控制 如图 所示 : 33
38 图 思考与练习 (1) 利用当前建立的仿射变换, 你还可以继续对其他对象进行变换 请你利用 插入 菜单中的 普通文本 命令插入一个段文本文字, 按后设置你自己喜欢的字体和填充颜色, 然后将该文本进行仿射变换 (2) 建立一个从三角形 COB 到三角形 AOB 的仿射变换, 然后将多边形 IJK 进行变换, 点C动画过程中, 变换得到的多边形有什么特点? (3) 将不需要显示的对象隐藏, 例如上图中的坐标系 椭圆 平行四边形 AOBD 和平行四边形 COBE 34
39 2.9 等分圆周设计的图案 在动态几何工具平台中, 利用简单的几何图形和设置就可以设计许多漂亮的图案 下面我们设计一个漂亮的五角星 (1) 在新建文档中, 作两个点 OA, 依次选择 O A 执行 画图 圆和圆弧 已知圆心和半径的圆 作出一个圆 (2) 在圆上作一点 C, 依次选中 C 和圆心 O, 执行 变换 旋转 在弹出的对话框中输入旋转次数 :4, 旋转角度 :360/5 如图 所示, 然后点击确定得出与 B 一起五等分圆周的点 C D E F 图(3) 连接线段 AC CE EB BD DA 如图 所示 : 图(4) 如图 2.9.3( 左)所示, 作出线段之间的交点 然后隐藏线段, 结果如图 ( 右)所示 : 35
40 图(8) 依次选择 B G C H D I E J F K 共十个点, 作多边形,; 隐藏除点 A 和点 O 之外其他点, 结果如图 所示 : 图(9) 右击多边形的边界, 打开其属性对话框, 如图 所示 : 选择 径向填充 选项 卡, 选择合适的渐变颜色, 勾选 填充, 单击 确定 按钮完成 36
41 图 结果如图 所示, 拖动点 B, 可以让五角星绕其中心旋转 图 最终效果图 思考与练习 (1) 请你利用旋转的方式, 通过点 A 作出圆内接正五边形的其他顶点 (2) 请你设计出如图 两幅图案 37
42 图
43 2.10 直线与圆的位置关系 首先作出一个圆和一条直线 具体操作如下 : (1) 在新建文档中, 作出一个圆 O (2) 在圆上取一点 A, 测量 AO 的距离 (3) 插入参数 mo, 取值范围为 -2 到2, 如图 所示 : 图(3) 依次选择 OA 两点, 作过 OA 的直线 (4) 选择该直线, 执行 画图 约束点 直线上的参数点, 填入参数数为 mo, 如图 所示, 确定后得到新点 B 图(5) 测量 OB 的距离 (6) 依次选择点 B 和直线 OA, 执行 画图 直线 垂线 作出一条以 B 为垂足垂直于 OA 的直线 增加直线 m 移动到与圆 O 相切的位置的动画按钮, 操作如下 : (7) 执行 插入 常用按钮 变量一次运动 命令, 按图 修改命令 : VarAnimation(mo,v001/v000,1,20,3); 39
44 图(8) 确定后移动变量控制条的控制点可以控制直线的移动, 见:按相切按钮, 直线会移到相切的位置, 请注意过程中 OA OB 之间的距离关系 图 最终效果 思考与练习 请你利用另外一种思路设计一个探索直线与圆的位置关系的实验, 能够方便地改变和表现直线与圆的三种位置关系 40
45 2.11 圆与圆的位置关系 作出两个半径固定 而圆心可以被随意拖动的圆, 具体操作如下 : (1) 在新建文档中, 插入变量 a, 和b, 作坐标点 A(a,0) B(b,0) (2) 拖动变量可知点使得 A 点和 B 点分开到合适的位置 以点 A 为圆心作半径为 2 的圆, 以点 B 为圆心作半径为 3 的圆 如图 所示 : 图 增加圆 A 移动到分别与圆 B 外切和内切的动画按钮, 操作步骤如下 : (3) 作点 A 的动画按钮, 如图 所示, 设置动画频率为 :300, 设置参数 a 的范围为 :a 到b-5, 选择运动类型为 :3( 一次运动 ), 设置按钮的名称为 : 外切 图 外切按钮参数 (4) 作点 A 的动画按钮, 如图 所示, 设置动画频率为 :300, 设置参数 a 的范 围为 :a 到b-1, 选择运动类型为 :3( 一次运动 ), 设置按钮的名称为 : 内切 41
46 图 内切按钮参数作出两圆的交点和公切线, 具体操作如下 : (5) 选择两个圆, 通过 画图 菜单中 直线 子菜单下的 两圆的公切线 命令即可作出两圆的公切线段 增加控制四条公切线显示或隐藏的开关按钮, 操作如下 : (6) 插入一个按钮, 按图 修改参数 ( 注意这里的 分别对应着对像列表中对应对象的序号 ), 按 增加动作 添加显示公切线的动作 接着按图 给该按钮增加隐藏公切线的功能, 按 增加动作 再按确定完成该按钮 图图
47 通过拖动点 a 或者拖动点 b 的控制条可以改变两圆的位置关系, 单击 外切 按钮则圆 A 移动到与圆 B 外切的位置, 单击 内切 按钮则圆 A 移动到与圆 B 内切的位置 最终效 果如图 所示 : 图 单击 公切线 按钮, 则隐藏公切线 ; 再次单击 公切线 按钮, 则公切线被重新显示 思考与练习 (1) 增加控制两圆的交点开关按钮 交点 (2) 可以根据需要增加两圆半径大小的说明文本, 并测量两圆的圆心距 (3) 与圆 B 外切 ( 内切 ) 时, 圆A可能有两个位置, 请增加圆 A 移动到另外一个位置的动画按钮 (4) 若点 A 和点 B 是平面上的完全自由点, 以点 A 为圆心的圆的半径为 2, 以点 B 为圆心的圆的半径为 3 如何设计点 B 的运动, 使得圆 B 与圆 A 分别外切和内切? 2.12 研究圆幂定理 相交弦定理 切割线定理 割线定理 切线定理统称为圆幂定理 计算机可以直观 连续地将一种形式转化为另一种形式, 从而反映圆幂定理几种形式之间的联系与统一 (1) 在新建文档中, 作出任意点 A, 并以点 A 为圆心作半径为 2 的圆 (2) 在圆 A 外任意取一点 B, 在圆 A 的圆周上任一取一点 C, 连接线段 BC, 作出线段 BC 与圆 A 的另外一个交点 D, 结果如图 所示 : 43
48 图(3) 选择点 B 和圆, 执行 画图 直线 过圆锥曲线外一点的切线, 得到过点 B 的圆 A 的两条切线段和两个切点, 删除其中一条切线段和切点, 标记剩下的切点为 E 结果如图 所示 : 图 拖动圆上的点 C, 可以发现, 当点 C 越过 点E到达靠近点 B 的圆弧上时, 如图图 所示, 点C和点 D 重合在一起 图 因为直线与圆有两个交点, 而计算机并不能识别我们在什么时候需要显示两个交点中的哪一个 所以, 就出现了这种情形 下面我们设计一种方法解决这个问题 : (4) 将点 C 拖动到左边位置, 删除点 D (5) 作出点 A 到直线 BC 的垂足 F 和垂线段 AF( 自动产生 ) (6) 作出点 C 关于直线 AF 的轴对称点 G, 结果如图 所示 : 44
49 图(7) 隐藏线段 AF 和点 F 将点 G 的名字修改为 D, 将点 B 的名字修改为 P, 连接线段 PD (8) 按照以上的方法, 作出另外一条割线 PMN, 结果如图 所示 : 图(9) 测量线段 PC PD PM PN 的长度, 计算线段 PC 和PD 的长度之积, 计算线段 PM 和线段 PN 的长度之积 (10) 测量线段 PE 的长度, 计算线段 PE 的长度的平方 结果如图 所示 : 图 若将点 P 拖动到圆 A 之内, 则有如图 的情形 : 45
50 图 其中点 C 和点 M 是圆上的任意点可以被拖动 2.13 毕达哥拉斯树 画出的直角三角形, 操作如下 : (1) 在新建文档中画出点 A 和B(2) 以AB 为直径作一个圆 (3) 依次选取圆 B 点A点执行 画图 圆和圆弧 圆周上的圆弧, 然后隐藏之前作的圆, 在圆弧上取一点 C, 隐藏圆弧 画出直角三角形各个边对应的正方形 : (4) 依次选择 A C 执行 作图 多边形 正方形 作出正方形, 修改属性让新作的正方形另外两点的字母处于显示状态, 同样方法作出 CB 和BA 所对应的正方形 分分别给三个正方形填充不同的颜色 结果如图 所示 : 图(5) 依次选择点 A 和点 B, 执行 画图 几何迭代 命令, 在输入框中按照图 填写迭代信息 : 46
51 图(6) 给迭代对象填充适当的颜色即可完成, 拖动点 C, 观察勾股数的动态变化 如图 所示 : 图 思考与练习 (1) 利用 工具 菜单中的 迭代 子菜单下的命令可以快速完成迭代作图 例如本节的勾股树就可以选择两个点后执行 工具 迭代 勾股树 命令作出试试通过该方法作出一个勾股树图案, 和本节的结果对比一下异同之处 (2) 通过本节学习的内容, 完成如图 所示图案 47
52 图 谢尔品斯基三角形 2.14 二叉树 首先增加参数的变量控制尺, 并将对应的参数设置在一定的范围之内 : (1) 增加参数 a b c d 的变量控制尺, 如图 所示, 设置参数 a 的改变范围为 : -180 到180, 设置参数 b 的改变范围为 :0 到1, 设置参数 c 的改变范围为 :-180 到180, 设置参数 d 的改变范围为 :0 到1图生成一个迭代对象 : (2) 画任意线段 AB (3) 依次选择点 A 点B, 执行 画图 参数点 旋转缩放点 命令, 设置旋转角参数 ( 度数 ) 为:a 放缩参数为 b 做出点 A 绕点 B 的旋转放缩点 C., 连接 BC (4) 与(3) 类似, 做出点 A 绕点 B 的旋转放缩点 D, 设置旋转角参数 ( 度数 ) 为:C, 缩放参数为 d, 连接 BD, 结果如图 所示 : 图(5) 选择点 A 点B, 执行 画图 几何迭代 命令, 如图 设置迭代参数 : 迭代规则中勾选对象 AB BC 和BD, 设置两组迭代点, 分别把 A 点迭代为点 B 和点 C, 点B和点 D; 设置迭代的次数为 :5 48
53 (6) 单击 确定 按钮完成 图(7) 删除点 C 和点 D 结果如图 所示 : 图
54 2.15 多边形的密铺 ( 一)任意三角形的密铺 (1) 在新建文档中, 作出任意三个点 A B C (2) 作出点 A 和点 C 之间的中点 ( 若作出了线段 AC, 则将它删除 ) (3) 作出以点 A 点B和点 C 为顶点的多边形 选择多边形 ABC, 将其内部填充, 根据需要填充合适的颜色 结果如图 所示 : 图(4) 选择三角形 ABC 和点 D, 执行 变换 旋转 命令, 如图 所示设置旋转 角度为 180 度得到点 E: 选择 ACE 三点按前法作出三角形 ACE 并填充合适颜色 图图旋转结果 (5) 选择两个三角形和 B C 两点, 执行 变换 平移, 平移次数设为 4 次 将有 向线段 BC 设置为平移向量, 结果如图 所示 : 图(6) 选择所有三角形和 B A 两点, 执行 变换 平移, 平移次数设为 4 次 将有 向线段 BA 设置为平移向量, 结果如图 所示 : 50
55 图(7) 隐藏点 D 给各个三角形填上合适的颜色, 这样就得到了任意三角形的密铺图案 图 最终结果 ( 二)四边形的密铺 (1) 在新建文档中, 任意画四个点 A B C D (2) 作出点 A 和点 D 之间的中点 E, 点C和点 D 之间的中点 F (3) 以点 A 点B点C和点 D 为顶点, 作多边形, 将其内部填充适当颜色 (4) 作出多边形 ABCD 和点 C 关于点 E 的中心对称图形, 将旋转得到的多边形内部填充为另外一种颜色 (5) 作出多边形 ABCD 和点 B 关于点 F 的中心对称图形, 将旋转得到的多边形内部填充为另外一种颜色 (6) 以有向线段 BD 为平移向量, 将多边形 ABCD 平移, 将平移得到的多边形内部填充为重新选择一种填充颜色 结果如图 所示 : 图
56 (7) 将B点绕 F 点旋转 180 度得到 H 点, 以AH 为平移向量, 将四个多边形对象平移 3 次 结果如图 所示 : 图(8) 将B点绕 E 点旋转 180 度得到 G 点, 选定所有多边形, 以BG 标记为平移向量, 平移三次 (9) 将点 E 点F点G和点 H 隐藏 这样就做出了任意四边形的密铺图案 拖动四边形 ABCD 的顶点, 可以改变其形状, 如图 所示, 四边形 ABCD 也可以是凹多边形 图 思考与练习 请动手作出下列密铺图案 : 52
57 图 密铺曲线 ( 一)基于等腰三角形的密铺曲线 (1) 在新建页面中, 画任意两点 A 和B(2) 依次选择点 B A, 执行菜单 画图 下子菜单 多边形 直角三角形 ( 已知一直角边的直角三角形 ) 把三角形另一点标记为 C, 如图 所示 : 图(3) 在线段 AC 两侧各取两个任意点 D E (4) 在点 C 点C之间任取三个任意点 F G H (5) 依次选择点 A 点D点E点B; 依次选择点 A 点F点G点H点C, 结果如图 所示 : 图(6) 依次选择 C D E A 四个点, 执行 工具 菜单的子菜单 样条曲线 下的 过4点的样条曲线 命令, 作出过四点的曲线 ; 类似地, 依次选择 A F G H C 五个点, 执行 工具 菜单的子菜单 样条曲线 下的 过4点的样条曲线 命令, 作出过五点的曲线 ; 结果如图 所示 : 53
58 图 作出样条曲线 (7) 作出样条曲线 ADEB 关于直线 AC 的发射变换图形, 轴对称得到的曲线的序号为 17, 将该曲线按照向量 CA 进行平移变换 (8) 将点 C 绕点 A 旋转 180 度, 得到的点标记为 I (9) 作出样条曲线 AFGHC 关于直线 AB 的反射变换图形, 将该曲线按照向量 CB 进行平移变换, 现在得到的结果图 所示 : 图(10) 隐藏反射变换得到的两条曲线, 隐藏线段 AB BC CA 和角 A 的标记 结果如 图 所示 : 54
59 图(11) 选择显示的 4 条曲线, 将有向线段 AB 设定为平移向量, 执行平移命令, 平移 次数设为 3, 结果如图 所示 : 图(12) 选择显示的 4 条曲线和上一步平移得到的所有曲线, 将有向线段 IC 设定为平移 向量, 执行平移命令, 平移次数设为 3, 结果如图 所示 : 55
60 图 完成效果图 这就形成了以四条曲线为基础的平面密铺图案 思考与练习 (1) 点D点E点F点G和点 H, 可以被任意拖动, 从而改变曲线的形状, 从而可以设计出丰富多彩的图案, 下面就是设计的另外一种图案, 请你自己动手再设计一些有趣的图案 56
61 图(2) 将曲线 ADEB 和曲线 AFGHC 的类型修改为 : 折线段, 结果如下图所示, 得到了密铺 多边形 图(二)基于平行四边形的密铺图案 (1) 在新建文档中, 画任意三点 A B C (2) 如下图 所示, 作出曲线 ADEFB 和曲线 BGHIC 57
62 图(3) 以有向线段 BA 为平移向量, 将曲线 BGHIC 平移, 得到平移后的曲线 ; 结果如图 所示 : 图(4) 以有向线段 BC 为平移向量, 将曲线 ADEFB 平移 到平移后的曲线 ; 结果如图 所示 : 所示 : 图(5) 选择以上所作的四条曲线, 以BC 为平移向量, 作四次平移变换, 结果如图
63 图(6) 以有向线段 BA 为平移向量, 选择除最下方的一行曲线之外的其他曲线, 进行平 移, 将平移得到的曲线继续平移, 几次平移之后, 结果如图 所示 : 图 完成效果图 这就形成了以两条曲线组成的曲边平行四边形为基础的平面密铺图案 思考与练习 (1) 点D点E点F点G点H和点 I, 可以被任意拖动, 从而改变曲线的形状, 从而可以设计出丰富多彩的图案, 请你自己动手设计一些有趣的图案 (2) 将曲线 ADEB 和曲线 BGHIC 的类型修改为 : 折线段, 结果如图 所示, 得到了密铺多边形 59
64 图(3) 下图 是基于曲边梯形的平面密铺图案, 请你动手设计出这种图案 图
65 2.17 平面中的变换 平面上我们所熟悉的变换, 大多数是可以用变换公式表示 利用变换公式研究对应的变 换, 能帮助我们更加透彻地研究变换的特点性质 ( 一)旋转变换平面上的一个点绕坐标原点 O 逆时针旋转 t 弧度的坐标变换公式是 : x'=x*cos(t)-y*sin(t);y'=x*sin(t)+y*cos(t) 下面我们利用这个变换公式对执行的对象进行旋转 : (1) 在 视图 勾选 对象框, 然后在对象框中勾选坐标系和点 O, 使得坐标系处于可见状态 如图 所示 : 图(2) 在平面上任取一点 A, 连接 OA (3) 选择点 A 和线段 OA, 执行 变换 菜单下的 通过变换公式进行仿射变换 命令, 如图 所示, 在弹出的坐标变换公式输入对话框中输入对应的参数值 :a1=cos(t), a2=sin(t),b1=-sin(t), b2=cos(t),x0=0,y0=0 图(3) 单击 确定 按钮完成, 得到点 B 和线段 OB 结果如图 所示 : 61
66 图(4) 执行 插入 常用按钮 变量一次运动 命令增加参数 t 的动画按钮, 如图 设置按钮参数 : 图 单击参数 t 的动画按钮, 可以观察到点 B 从点 A 的位置出发, 绕坐标原点 O 旋转了半周 思考与练习 (1) 作任意三角形 ABC, 通过坐标变换公式作出其关于坐标原点 O 的旋转图形 DEF (2) 展示 DEF 绕坐标原点 O 从三角形 ABC 的初始位置旋转到 ABC 关于点 O 中心对称图形的位置 (3) 任作平面上一点 M, 利用旋转变换公式, 应该如何作出该点关于 y 轴的对称点? (4) 你能求出关于平面上任意点 P(x0,y0) 旋转的坐标变换公式吗? 然后通过实验检验你的结论 ( 二)反射变换平面上任意点 A(x,y) 关于 x 轴的对称点 A' 的坐标为 (x,-y), 相应的坐标变换公式为 : x'=x;y'=-y 下面我们利用这个变换公式进行几何对象的反射变换 : 62
67 (1) 任意作一个圆 A (2) 选择圆 A 和点 A, 执行 变换 菜单下的 通过变换公式进行仿射变换 命令, 如图 所示, 在弹出的坐标变换公式输入对话框中输入对应的参数值 :a1=1,a2=0, b1=0, b2=-1,x0=0,y0=0 图(3) 单击 确定 按钮完成, 得到点 B 以及以它为圆心的圆周 结果如图 所示 : 图 思考练习 (1) 根据关于 y 轴对称的坐标变换公式, 作出圆 A 关于 y 轴对称的图形 (2) 先作出函数 y=2^x 的图像, 根据关于直线 y=x 对称的坐标变换公式, 再作出它的反函数的图像 (3) 你能求出平面上的点 A(x,y) 关于任意直线 y=k*x+b 对称的坐标变换公式吗? 63
68 然后通过实验检验你的结论 ( 三)伸缩变换在直角坐标系中, 将点的 x 坐标变为原来的 k1 倍 将点的 y 坐标变为原来的 k2 倍的几何变换叫做伸缩变换 对应的坐标变换公式为 : x'=k1*x;y'=k2*y 下面我们利用伸缩的坐标变换公式将函数 y=sin(x) 的图像上点的横坐标变为原来的 2 倍:(1) 执行 画图 一般曲线 三角函数 :y=f(x) 命令, 在弹出窗口中按图 填写作函数 y=sin(x) 在[-2*pi,2*pi] 上的图像 图(2) 选择该函数图像, 执行 变换 菜单下的 通过变换公式进行仿射变换 命令, 在弹出的坐标变换公式输入对话框中输入对应的参数值 :a1=k,a2=0,b1=0, b2=1,x0=0, y0=0 (3) 将变换后的图像以红色虚线显示 (4) 增加参数 k 的动画按钮, 设置参数 k 的范围为 :1 到2, 选择运动类型为 : 一次运动 结果如图 所示 : 倍图单击参数 k 的动画按钮, 红色曲线从 y=sin(x) 的位置出发, 在x方向上伸长为原来的 2 64
69 思考练习 (1) 在x方向上伸长为原来 2 倍后的函数曲线的方程表达式是? (2) 通过坐标变换公式, 由函数 y=sin(x) 的图像得到 y=sin(2x) 的图像, 并展示动态变换过程 (3) 通过坐标变换公式, 由函数 y=sin(x) 的图像得到 y=3sin(x) 的图像, 并展示动态变换过程 (4) 你能求出平面上的点 A(x,y) 关于点 P(x0,y0) 为中心伸缩旋转的坐标变换公式吗? 然后通过实验检验你的结论 ( 四)平移变换在直角坐标系中, 将点 P(x,y) 在x方向 y 方向分别平移 x0 y0 个单位的几何变换叫做平移变换 对应的坐标变换公式为 : x'=x+x0;y'=y+y0 下面我们利用平移变换的坐标变换公式将函数 y=sin(x) 的图像平移得到 y=sin(x+pi) 的图像 : (1) 作函数 y=sin(x) 在[-2*pi,2*pi] 上的图像 (2) 选择该函数图像, 执行 变换 菜单下的 通过变换公式进行仿射变换 命令, 在弹出的坐标变换公式输入对话框中输入对应的参数值 :a1=1,a2=0,b1=0, a2=0,b2=1, x0=pi,y0=0 (3) 将变换后的图像以绿色虚线显示 如图 所示 : 图 完成效果 思考练习 (1) 通过坐标变换公式, 由函数 y=sin(x) 的图像得到 y=sin(x-pi/2) 的图像, 并展示动态变换过程 (2) 通过坐标变换公式, 由函数 y=sin(x) 的图像得到 y=2+sin(x) 的图像, 并展示动态变换过程 (3) 你能求出平面上的点 A(x,y) 按照指定的向量 PQ 进行平移的坐标变换公式吗? 其中点 P 的坐标为 (x1,y1), 点Q的坐标为 (x2,y2) 然后通过实验检验你的结论 ( 五)切变变换对于下列坐标变换公式对应的变换叫作切变变换 : x'=x+s*y;y'=y 或者 x'=x;y'=t*x+y 下面我们研究切变变换的性质 : (1) 作出以原点为圆心 半径为 2 的圆, 作出圆的外切正方形 ( 方法任意 ) (2) 执行 画图 一般曲线 三角函数 :y=f(x) 命令, 如图 ( 左)所示, 设置样点的个数为 :500, 参数 t 的范围 :0 到2*pi 作出参数方程{x=2*sin(2*t); y=2*sin(3*t)*sin(5*t)} 对应的曲线 ; 如图 10 设置样点的个数为 :500, 参数 t 的范围 :0 到2*pi 结果如图 ( 右)所示 : 65
70 图(3) 选择曲线 圆和正方形, 执行 变换 菜单下的 通过变换公式进行仿射变换 命令, 在弹出的坐标变换公式输入对话框中输入对应的参数值 :a1=1,a2=0,b1=s,b2=1, x0=0,y0=0 (4) 将变换得到的对象以红色虚线显示 结果如图 所示 : 图(5) 插入参数 s 的变量控制尺 操作变量控制点可以发现, 原来的正方形变成了平行四边形, 原来的圆变换成了椭圆, 原来参数曲线经过变换后形状也发生了改变 除了这些改变的性质外, 在这个切变变换中, 有哪些性质是保持不变的? 思考练习 (1) 将原来的图形, 利用变换公式 x'=x,y'=t*x+y 进行变换 总结变换 x'=x,y'=t*x+y 66
71 的特点 (2) 将原来的图形, 利用变换公式 x'=1.1*x+0.3*y,y'=0.2*x+0.9*y 进行变换 观察变 换后的图形, 有哪些性质仍然保持? ( 六)变换的复合与性质实数的乘法满足交换律, 即a*b=b*a 变换的乘法是否也满足交换律呢? 即AB=BA 是否成立? (1) 作出一个任意点 A 以及以点 A 为圆心的圆 (2) 将点 A 和圆 A 按照变换公式 {x'=x;y'=-y} 进行变换, 得到点 B 和圆 B (3) 将点 B 和圆 B 按照变换公式 {x'=cos(-pi/2)*x-sin(-pi/2)*y;y'=sin(-pi/2)*x+cos(-pi/2)*y} 进行变换, 得到点 C 和圆 C (4) 将点 A 和圆 A 按照变换公式 {x'=cos(-pi/2)*x-sin(-pi/2)*y;y'=sin(-pi/2)*x+cos(-pi/2)*y} 进行变换, 得到点 D 和圆 D (5) 将点 D 和圆 D 按照变换公式 {x'=x;y'=-y} 进行变换, 得到点 E 和圆 E 结果如图 所示 : 图 可以发现, 点C和点 E 不在同一位置上, 圆C和圆 E 也不重合 思考与练习 请你设计两个满足交换律的变换 并进行实验, 验证你的结果 ( 七)仿射变换线性变换不能保持两点的距离, 不能保持图形的形状 但是对于, 可逆的线性变换将直线仍变成直线, 平行直线经过变换后仍保持平行关系 正方形变成了平行四边形, 形状改变了, 但平行四边形还是变成平行四边形, 这就是不变的性质 ; 圆可以变成椭圆, 形状改变了, 然而若将圆看成是长轴和短轴相等的椭圆, 则还是椭圆变成椭圆, 这也是不变的性质 可逆的线性变换 平移变换以及他们的复合变换, 构成一个变换群, 称为仿射变换群 67
72 研究在这个群的作用下不变的性质的学科, 就是仿射几何 下面我们举一个熟悉的例子 : (1) 作以原点 O 为中心 半径为 1 圆(2) 作出圆与 x 轴负半轴的交点 A, 作出圆与 y 轴正半轴的交点 B (3) 作任意正方形 DEFG (7) 选择点 D E F G 执行 画图 多边形 多边形 命令, 得出正方形 DEFG (3) 依次选择正方形内部和点 O 点A点B, 执行 变换 菜单下的 坐标系到三角形的仿射变换, 实现了坐标即原三角形 (0,0)(1,0)(0,1)-> 三角形 OAB(0,0)(-1,0)(0,1) 的变换 你能写出这个仿射变换的变换公式吗? 这是一个什么变换? 继续操作 : (4) 在圆上任取一点 C (5) 依次选择上一步生成的正方形内部和点 O 点C点B, 执行 变换 菜单下的 坐标系到三角形的仿射变换 实现了坐标即原三角形(0,0)(1,0)(0,1)-> 三角形 OAB 的变换 对正方形 DEFG 来说, 这是实现了坐标系 (0,0)(1,0)(0,1)-> (0,0)(-1,0)(0,1) -> 三角形 OAB 的两次变换 如图 1 所示, 结果作出变换后的图形 图1可以发现变换后的图形为一个平行四边形 原来的正方形 DEFG 相比较, 有什么变化? 有哪些不变的关系? 拖动点 C, 可以使得平行四边形以 y 轴所在直线为轴进行翻折 思考与练习 (1) 增加点 C 的动画按钮, 设置参数范围为 :pi 到2*pi, 运动类型为 : 一次运动 单击动画按钮, 运动结束后, 变换后的图形与正方形 ABCD 之间有什么关系? (2) 先后两个仿射变换的复合变换的变换公式是什么? 68
73 ( 八)射影变换 (1) 作坐标点 A(4,0) B(2,0) C(1,0) D(-1,0) E(1,2) (2) 连接线段 AE BE CE DE (3) 在线段 AE BE CE DE 分别取点 F G H I 结果如图 2 所示 : 图2下面将线段上的点按照下列变换公式进行变换 : x'=x/(y-2);y'=y/(y-2) (4) 分别测量点 F 的横坐标和纵坐标, 执行 画图 参数点 坐标点 命令, 设置新生成点的 x 坐标为 v000/(v001-2),y 坐标为 v001/(v001-2) 其中(v000,v001) 是所选择的点 F 的坐标 结果得到点 J (5) 重复类似操作, 利用上面的变换公式将点 G 变换得到点 K, 将点 H 变换得到点 L, 将点 I 变换得到点 M 结果如图 3 所示 : 图3(6) 跟踪点 J 点K点L点M并设置跟踪颜色为红色 同时选择点 F G H I, 通过键盘中的向上方向键 或向下方向键, 让它们同时运动, 得到点 J K L M 运动的跟踪图形, 结果如图 7 所示 : 69
74 图7思考练习 (1) 点JKLM运动过的轨迹分别是什么图形? 与变换前的线段 AE BE CE DE 相比较, 有什么变化? (2) 这个变换是可逆变换吗? 若是可逆变换求出它的变换公式, 并通过实验检验你的结论 (3) 为了更加直观地观察 J K L M 运动过的图形, 请构造出他们的轨迹图形 (4) 以坐标原点 O 为圆心 作半径为 r 的圆, 在圆 O 上任取一点 P, 利用上面的变换公式将点 P 变换到点 Q, 构造点 P 驱动下点 Q 的轨迹 改变半径 r 的大小, 观察点 Q 的轨迹图形 点Q的轨迹图形是什么形状? 半径 r 对它有什么影响? (5) 与线性变换相比较, 上面的变换有哪些不同? 它改变了哪些关系? 而哪些性质又保持不变? 70
75 第三部分函数 方程及图像 3.1 二次函数的图像 作函数 y=x^2 的图像, 具体操作步骤如下 : (1) 在新建文档, 执行 画图 一般曲线 幂函数 :y=f(x) 命令, 弹出函数作图对话框 (2) 如图 所示, 在y= 对应的编辑框中输入 :x^2, 单击 确定 按钮完成, 作出 y=x 2 的图像 图(3) 执行 视图 系统坐标系 命令, 使坐标系处于可见状态 (4) 鼠标移到坐标系上, 单击右键, 即可打开它的属性对话框 (5) 如左下图所示, 在属性对话框中选择 显示刻度 选项和 画坐标网格 选项, 取消 全屏显示, 用鼠标调整好坐标轴, 单击 确定 按钮完成 结果如图 所示 : 图 若我们希望探索函数 y=1/2*(x-a) 2-1 在区间 [m,n] 上最值的情况, 则可以对作出的曲线的 表达式进行修改 操作步骤如下 : 71
76 (6) 鼠标指向曲线, 右击, 打开其属性对话框 如图 所示, 将曲线表达式修改为 : 1/2*(x-a)^2-1, 设置参数 ( 变量 ) 的范围为 :m 到n图(7) 单击 确定 按钮完成, 结果如图 所示, 作图区中只出现出现一小段函数曲 线, 原因何在呢? 请继续下面的操作 图(8) 如图 所示, 执行 插入 变量 命令, 作出变量 a 的变量控制条 同理 作出 m n 的变量控制条 图(9) 结果如下图 所示, 可以观察到参数 m 和参数 n 的初始值大小相差很小, 那 么函数的图像只有很小的一段 72
77 图(10) 向右拖动变量 n 控制条上的控制点, 增大参数 n 的值 ; 往左拖动点 m 控制条上 的控制点, 减小参数 m 的值, 结果如图 所示 : 图(11) 利用 画图 参数点 坐标点 命令, 依次作出坐标点 A(m,0) B(n,0) D(m,1/2*(m-a)^2-1) E(n,1/2*(n-a)^2-1) (13) 连接线段 AD BE, 并在右键菜单中将线段 AD 和BE 的画笔 线型 设置为 : 虚线 (14) 将点 A 的名字修改为 :m, 将点 B 的名字修改为 :n, 将点 C 的名字修改为 :a 结果如图 所示 : 图(15) 选择曲线, 单击工具栏中 放大 工具, 增加曲线的画线宽度 ; 设置曲线的画线 颜色为红色 73
78 可以让参数 m n a 取不同的数值, 则对应不同的情况, 如下图 所示 : 图a图b思考与练习 (1) 请设法作出顶点坐标, 并得出能够直接读出函数的最值, 以及对应的 x 取值 (2) 作出函数 y=a*(x-k)^2+h, 要求当 a k h 改变过程中, 曲线总是能够显示对称轴两侧等距离的图像 如图 所示 : 74
79 图 反比例函数的图像 画y=1/x 的图像, 具体操作如下 : (1) 在新建文档, 使坐标系可见 ( 参考 3.2(3)), 执行 画图 一般曲线 幂函数 : y=f(x) 命令, 弹出函数作图对话框 (2) 在y= 对应的编辑框中输入 :1/x, 作图范围 -10 到10, 曲线点数 :50, 数单击 确定 按钮完成, 作出 y=1/x 的图像, 增加曲线的宽度, 并设置画线颜色为红色, 适当调整坐标系, 结果如图 所示 图 思考与练习 出来 如图 所示, 为函数 y=sin(x^2) 在区间 [-2*pi,2*pi] 上的图像, 请你在计算机中将它画 75
80 图 指数函数及其反函数的图像 画函数 y=a^x 的图像, 操作如下 : (1) 在新建文档, 使坐标系可见, 执行 画图 一般曲线 幂函数 :y=f(x) 命令, 弹出函数作图对话框 : 在y= 对应的编辑框中输入 :a^x, 作图范围 :-10 到10 曲线的点数 为:5000, 单击 确定 按钮完成, 作出 y=a^x 的图像, 增加曲线的宽度, 并设置画线颜色为红色 (2) 插入变量 a, 设置其范围为 0 到3, 并把参数 a 调整到正数 结果如图 所示 图 作出直线 y=x, 操作如下 : (2) 选择坐标原点 O, 执行 作图 直线 点斜式方程 命令, 弹出构造直线对话框, 如图 所示, 在 直线的斜率 编辑框中输入 :1 图(3) 右击直线, 在对话框中的 画笔 选项卡, 设置画笔 类型 为:虚线, 单击 确定 按钮完成 作出曲线 y=a^x 关于直线 y=x 的轴对称图像, 操作如下 : 76
81 (4) 依次选择曲线 y=a^x 和直线 y=x, 执行 变换 反射 命令, 得到 y=a^x 关于直 线y=x 的对称曲线 (5) 将对称得到的曲线的画线颜色设置为 : 蓝色 结果如图 所示 : 图 将红色曲线的方程改为对数方程, 操作如下 : (6) 打开曲线 y=a^x 的属性对话框, 如左下图所示, 将函数的表达式修改为 :log(a,x), 单击确定按钮, 如图 所示 : 图 思考与练习 (1) 移动数 a 的变量控制尺观察图形变化 (2) 观察当 a 取不同情况的数值时, 探讨对数函数 y=log(a,x) 与其反函数图像交点的情况 3.4 参数方程曲线 半径为 1 的圆 A 沿x轴无滑动的滚动, 在起始位置点 B 与坐标原点 O 重合 当圆滚动一段时间距离后, 点B绕点旋转过的角度为 a 弧度, 则圆心 A 在水平位置上平移过的距离 OO' 也为 a 77
82 跟踪点 B 得到的轨迹图形就是旋轮线 图 容易推导, 点B的轨迹所在旋轮线的方程可表示为 : 化简后得到 : 由此, 我们可以直接画出半径为 1 的圆在 x 轴上无滑动地滚动时, 圆周上一点对应的旋轮线, 操作如下 : (1) 执行 画图 一般曲线 参数方程 :x=x(t) y=y(t) 命令, 如图 所示, 选择函数的类型为 : 参数方程, 在x= 对应的编辑框中输入 :a-sin(a), 在y= 对应的编辑框中输入 :1-cos(a) 图(2) 在 参数范围 一行的中间编辑框中输入 :a, 将a设置为参数方程的参数 设置参 78
83 数范围为 :-4*pi 到4*pi, 单击 确定 按钮, 结果如图 所示 : 图 下面我们作出一个圆, 在该圆上任意取一点跟踪后得到的图形都是旋轮线 首先作出圆心及圆周上的点, 操作如下 : (3) 隐藏上部所作曲线, 作坐标点 A(a,1) B(a-sin(a),1-cos(a)), 执行 工具 变量 命令作出变量 a 的控制条 旋轮线 图点B参数 (4) 跟踪点 B 如图 所示, 拖动变量控制条上的控制点, 则点 B 留下的踪迹就是 图 作出从点 B 出发 以点 A 为圆心的圆形曲线, 操作如下 : (5) 执行 画图 一般曲线 参数方程 :x=x(t) y=y(t) 命令, 如图 所示, 如图 所示, 选择函数的类型为 : 参数方程, 在x= 对应的编辑框中输入 :a-sin(a+u), 在y= 对应的编辑框中输入 :1-cos(a+u) 79
84 图(6) 在 参数范围 一行的中间编辑框中输入 :u, 将u设置为参数方程的参数 设置参 数范围为 :-2*pi 到2*pi, 单击 确定 按钮, 结果如图 所示 : 图(7) 进入画笔状态, 在圆形上任意取一点 C, 跟踪点 C 在拖动点变量 a 控制条上的控制点的过程中可以观察到点 C 的轨迹图形, 如图 所示, 图
85 点C可以在圆周上被任意拖动, 但结果跟踪点 C 留下的图形始终是旋轮线, 只是相位会有区别 思考与练习 (1) 通过上面的步骤 (5) (6), 我们可以明白圆形是从点 B 出发绕点 A 旋转一周的曲线 (2) 在上面的作图过程中, 点B只是帮助我们理解作出的圆形曲线 你可以将它和它的跟踪对象隐藏或者删除, 可以刚开始不作出这个点 (3) 当圆的半径为 R 时, 请你重新设计上面的实验 (4) 若半径为 r 的圆沿半径为 R 的圆无滑动地滚动时, 动圆周上一点 M 所描成的轨迹也是旋轮线, 它的轨迹方程可表示为 : t 为参数, 表示动圆的圆心从 x 轴正方向上出发旋转过的角度 请你设计一个圆在圆上滚动的实验 使得在滚动的圆上任意取一点, 跟踪得到的图形都 是旋轮线 3.5 极坐标方程曲线 如图 所示, 是我们前面所构造的四叶玫瑰曲线 图 四叶玫瑰曲线可以用极坐标方程标示为 :ρ=sin(2θ) 下面我们通过函数方程直接作出四叶玫瑰曲线, 操作如下 : (1) 执行 画图 一般曲线 参数方程 :x=x(t) y=y(t) 命令, 如图 所示, 选择函数的类型为 : 极坐标 :ρ=f(θ), 在ρ= 对应的编辑框中输入 :sin(2*thet)( 其中 thet 是希腊字母 θ 的单词的第 4 个字母, 在这里表示 θ), 81
86 图(2) 在 参数范围 一行设置参数 thet 的范围为 :0 到2*pi 单击 确定 按钮, 右击 曲线设置设置画笔颜色为 : 红色 结果如图 所示 : 图 思考与练习 (1) 方程 ρ=3sin(2θ) 表示半径为 3 的四叶玫瑰曲线 请你作出半径为 R 的四叶玫瑰曲线 (2) 方程 ρ=5sin(nθ) 也是玫瑰曲线 做出 n 为整数时的半径为 5 的玫瑰曲线, 并改变参数 n 的值, 观察玫瑰曲线的变化特点 (3) 方程 ρ=5cos(2θ) 对应的曲线也是四叶玫瑰线, 请你作出该方程对应的曲线, 并与方程 ρ=5sin(2θ) 对应的四叶玫瑰曲线进行比较, 说出他们的联系与区别 3.6 分段函数的图像 如图 所示, 阶梯函数是一个分段函数, 对于任何一个 x, 对应函数的值是比 x 小 的最大整数 82
87 图 下面我们作出阶梯函数的图像, 操作如下 : (1) 在新建文档中, 显示坐标网格 (2) 执行 画图 一般曲线 幂函数 :y=f(x) 命令, 在y= 对应的编辑框中输入 : floor(x), 设置 曲线的点数 为:500, 设置变量 x 的范围为 :-4 到4, 单击 确定 按钮完成, 结果如图 所示 : 图 这里我们做出的图形是不符合要求的曲线, 原因在于它将上下两段连接起来了 通过前面的学习, 我们知道只要在曲线的属性对话框中将 间断点的最小值 设置为小于 1 的值即可 操作如下 : (3) 右击曲线, 打开其属性对话框, 如图 所示, 将 间断点的最小值 设置为 :0.9 83
88 图(4) 单击 确定 按钮完成, 结果如图 所示 : 图 对于阶梯函数的每一段, 应该是包含左端点而不包含右端点 我们通过画曲线的方式一次性地作出每一段的左端点 操作如下 : (5) 执行 画图 一般曲线 幂函数 :y=f(x) 命令, 在y= 对应的编辑框中输入 : 按 确定 生成直线 (6) 右击曲线, 如图 所示 : 设置画线的宽度为 :4, 设置 间断点的最小值 为:0.5, 设置 曲线的点数 为:2, 设置变量 x 的范围为 :-4 到4, 选择 画点 选项, 设置 点的大小 为:4, 单击 确定 按钮完成 完成后如图 所示 : 图
89 分段函数 g(x) 的表达式如下 : 图 这是常见的分段函数的表达形式 为了画出这种形式的分段函数的图像, 我们需要了解符号函数 sign(a,b) a 和b是符号函数的两个参数, 当a大于 b 时,sign(a,b) 的结果是 1; 当a不大于 b 时, sign(a,b) 的结果是 0 所以上面 g(x) 的表达式可以表示为 :y=sign(2,x)*x^2+(1-sign(2,x))*(4-x)^2 当x