2016年8月31日水曜日

高校数学の勉強方法

高校数学は、中学とはうって変わって急に教わる項目が増え、

ついていくのがやっとだ、
と言うのはまだマシで、

ついていけなくなる!!
人が大部分のようです。

これは大問題だとおもいます。

ちなみに、私が数学が得意になったのは、自習によるところが大きかったです。
授業中にも、自分の問題を解いたりして
いつの間にか自習していたりしていたことも多かったです。
数学は、とにかく問題を自分で解くことが第1に大切です。

「先生の話を聞かなくても良いから問題を解け」
です。

先生の授業を聞かないでも良いから、
自分で問題を解くことが大切です。
問題の解き方は、教科書や参考書に書いてありますので、
先生の授業を聞かなくても良いかもしれません。

学校の先生は、どうしても解けない問題があった時に、
教えてくれる人として存在価値があるようにも思います。

高校の数学の先生は、生徒の学習が遅れてもかまわず先に進んで教えるという噂を聞きます。

それが本当ならば、ひどい教育ですが、
先生は、生徒の学習のペースメーカー(進行係)として、
「今は~~まで勉強するべし」
と、学習の進度を教えているというのならば、
理解できます。

自力で問題を正しく解けるようになる大原則は、
(1)「何でも、先ずは疑うこと」 
(2)「疑いようが無いことのみを覚えること」
(3)「安易に、納得していない疑わしい公式を覚えないこと」
疑わしい公式は間違いの発生源だから、無い方が良い。
そもそも、公式は自分で導き出せるようになること。
(自分で導き出せるのだから、覚えないでも良い)
 です。

納得できるようになるまで数学を勉強して下さい。
それが、高校の数学の勉強のやり方と思います。

数学を得意になろうと思ったら、
分からなくなったところから、ていねいに教えてくれる先生をみつけて、
自分がわかるところから、次にわかることまで、
自分で納得しながら勉強するのが良い勉強の仕方と思います。

 高校1年の後期になると、三角比の授業で、三角形の余弦定理を学びます。その余弦定理の形が複雑なので、覚えるのに苦労します。その時、安易に余弦定理の式の形を暗記するのでは無く、余弦定理をいかに速く導き出すかを探究するのが良いと思います。

 「なぜ数学を勉強しなければならないのか」という疑問がインターネットに書かれています。その質問は、私自身に対しては「なぜ私は数学をするのか」という自問になると思います。
 その自問に対する答えは、面白いから数学をやっていました。そのため、勉強して解き方を覚えた問題はもう解かないで良くなったという事にはなりませんでした。面白いので分かった問題も解きます。余弦定理を使って解く問題は三角形の辺の二乗の引き算の公式を使って解けました。
 しかし、三角形の辺の二乗の引き算の公式を使って速やかに余弦定理を導き出す方法を知らなかったので(誰かに教わる事ができれば良かった)、ベクトルの内積を学ぶまで1年の間、余弦定理を覚えていませんでした。その間、「余弦定理を書け」という問題を恐れていました。

 高校2年の後期になると、微分積分を教わります。その微分積分を学ぼうとすると教科書の記述が意味不明なので苦しみます。そのとき、妥協せず、それが意味不明だとはっきり認識するのが正しい認識です。残念ながら、高校の教科書の記述は誤っているので、誤りが理解出来ないのが正しいです。
 そのとき、駄目な本はダメとして捨てて、正しい事を教えている大学の教科書を探して、それから学ぶように切り替えてください。そうすると、スムーズに学習が進むようになります。そのように、自分の数学センスに素直に従って学んで行ってください。

 それと、高校数学の公式を覚えるという数学センスから考えると、嘘とごまかしは、数学を覚えにくくするので禁物なのです。なぜかと言うと、数学の公式を覚えるというのは公式を導き出す小さなヒントだけ覚えて、そのヒントから公式全体を導き出せるようにすることだからです。
 小さなヒントだけ覚えれば良いので多くの公式を覚える量が本当に少なくて済み、覚えるのが楽になります。
 しかし、嘘とごまかしによっては、そこから正しい公式全体を導き出せ無くなります。そのような不純物(嘘、ごまかし)が心に入ると、もう数学の力は失われてしまい、何もわからなくなります。

(数学の公式の覚え方の注意)
 中学生のときは数学ができたのに、高校生になると数学ができなくなったと感じて数学をあきらめて脱落する学生が多いようです。そうなるのは、中学生のときから数学の公式の間違った覚え方を身につけ、それが現実の数学の公式群を覚えるのに通用しなくなるからだと考えます。
 公式をごろ合わせで覚えるのは公式の間違った覚え方です。毎回式を展開して、必要な公式を導き出して使うのが、正しい公式の覚え方だと思います。
 式を展開するだけでは、何も覚えていない様に見えますが、実はそうでは無く、式を展開する毎に、解に到達する式の展開手順を無意識に覚えているのです。そういうふうに公式を覚えるのが、 高校生になった後でも数学の学習から脱落しない公式の正しい覚え方だと思います。

《数学の先生が大事》
 数学は、人から教わるものです。
 良い数学の先生から教われば、数学が好きになり、数学が得意になるものです。
 良い先生は、学校の先生だったり、塾の先生だったり、家庭教師だったりします。
 良い先生を見つけたら、その先生との人のつながりを大切にし、付き合い続けることができれば良いと思います。
 良い先生という人は、数学の知識も必要ですが、その知識よりも先に、良い先生の見分け方があります。
良い先生という人は、
生徒とともに数学の問題の分からないところに悩み、何が正しいのか、生徒と一緒に問題を解決しよう、正しい事を生徒に教える努力をいとわない、数学に真剣にとりくむ姿勢がある人です。
 数学に対して、生徒とともに向き合う姿勢があります。
数学に真剣に取り組んでいる良い数学の生徒は、生徒といっしょに課題に取り組み、問題を生徒といっしょに解くことを好むものです。
そして、生徒の前で、初見の数学の問題に果敢に取り組んで、まさに問題を解く現場を見せて、問題への対応の仕方を生徒に教えてくれる人です。
 自分が問題の計算間違いをするのを恐れず、まさに計算間違いをしたその時に、どのようにしてその間違いを本能的に感知し、そして、どのようにして間違えた箇所を発見して間違いを直すかの過程も生徒に教えようとする人です。
そういう教える姿勢がある人なので、自分が間違える事を恐れず、間違いがあればただちにその間違いを認める人です。
間違いに対するその対応の姿勢を生徒が真似することで、生徒の数学の力がついていきます。

リンク:高校数学の目次

2016年8月11日木曜日

因数分解の可能性を広げる発想

【問1】
次の式を因数分解せよ。

(コメント)1変数をある変数の2乗と解釈しても良い。頭を柔らかくして、因数分解の可能性を広げて下さい。

【解答】
(解答おわり)

(補足)
この問題は、因数分解を拡張して数学の可能性を広げる方法であって、自分の必要に応じて使う技術であり、
正式な因数分解ではありません。

なぜなら、この考え方では、
a-b=(√a-√b)(√a+√b),
a+b=(√a-i√b)(√a+i√b),
とでき、あらゆる式が更に因数分解できることになります。
 また、以下の式も以下のような変な式に因数分解できることになり困ります。

そのため、この方法は普通の因数分解ではありません。
(因数分解の正式な試験問題としては出題されないと思います)

リンク:
高校数学一覧

2016年8月10日水曜日

三角形の外心の高さ

佐藤の数学教科書「図形と方程式」編の勉強


【問】三角形ABCの外心(外接円の中心)の座標Dを定める法則を探せ。

数学の新しい技術を学んだら、その技術の力を使って、何か新しい法則を見つけるよう心掛けましょう。

ここでは、外接円の中心座標Dを定める法則を探してみましょう。

(予備知識)
複雑な図形の問題は、より単純な図形の問題に置きかえて考えます。
(難しい形の問題は、全て、単純な形に置き換えて考えるのが数学のコツです。)

【解答】
先ず、頂点A,B,Cの座標を、点A(2m,2m)、点B(0,0)、点C(2c,0)と定義して、問題を解いてみる。
外接円の中心Dは、線分ABの垂直二等分線と線分BCの垂直二等分線(X=c)との交点を計算することで求める。

線分ABの垂直二等分線は線分ABの中点Mを通る直線である。

線分ABの垂直二等分線の式は、ベクトルMDとそれに垂直なベクトルMの内積が0であることをあらわす式である。

上の図のように、直線ABの垂直二等分線の式は、式1であらわされる。
(X-m)+m(Y-m)=0 (式1)

直線BCの垂直二等分線の式は、
X=c (式2)
であらわされる。
式1と式2を連立してY座標を計算する。
これで、D点のY座標を定める式の法則が得られた。
(解答おわり)

このYの値の式を、以下の様に分かり易く書き直します。
外心の高さYを与える式を変形すると、2番目の式のように、
余弦定理に類似した式が得られます。

そもそも、三角形の外接円の半径をRとすると、
R・cosA= Y
が成り立っていて、
また、
三角形の辺bと辺cの積は、高さhで:
bc=2Rh
とあらわせます。
そのため、
bc・cosA=2h・Y
になる事は直ぐに分かります。
なお、底辺BCに垂直な、底辺から頂点Aまで達するベクトルhは以下の式で表せる。



以下では、この式を、ベクトルの切替の公式を使って導きます。
【問1】 
上の三角形において、上のベクトルの内積の式が成り立つことを証明せよ。

【解答1】
 先ず、ベクトルbとcを、外心から引いたベクトルAとBとCであらわす。
この式を、大きさRが等しいベクトルAとBとCの内積であらわし、式を変換する。
赤枠内でベクトルの切替の公式を使っています。
ここでベクトル(B+C)は、上図の辺BCに垂直であり、長さが2mである。
(証明おわり)

【解答2】
 上の解答の計算の別解として、
ひし形の対角線の直交の公式を使った方が、
以下の様に、スムーズに計算できます。
(解答おわり)

(補足)
 この解答2の計算をするとき、図形の変換の考察も同時に並行して行うことが望ましい。

【解答3】
 以下のように、辺に垂直なベクトルを2つ考えて解くと、ベクトルHOの計算が簡単に解けます。


という、2つの、辺に垂直なベクトルを定義する。これらの垂直ベクトルは三角形の高さhの逆数の大きさを持つ。

の2つの式で未知数sとtを導入する。


(ベクトルHOの解)
 なお、

である。また、垂直ベクトルの大きさが三角形の高さの逆数の大きさであることを考慮することで、垂直ベクトルを、ベクトルaとcを合成した式で表すことができる。

リンク:
三角形の外接円の中心の位置ベクトルの公式を初めて学ぶ方法
ベクトルで三角形の外心を表す種々の式

裏正弦定理
高校数学の目次

2016年8月3日水曜日

2次方程式の応用問題

【問1】
次の方程式を解け。
(x+1) (x+2)(x+3) (x+4)=16 ,

ヒント:この問題は、工夫して式を置き換えると2次方程式の形の式に変換できます。

この問題の解答は、ここをクリックした先のページにあります。

リンク:
高校数学一覧

2016年4月29日金曜日

複素数平面を使うとベクトルの計算が楽になる

http://schoolhmath.blogspot.jp/2015/04/blog-post_2.html
http://schoolhmath.blogspot.jp/2015/04/blog-post_3.html
複素数平面を使えばベクトルの計算が楽になります。
以下の難問を、複素数平面を利用して、ベクトルの内積を使って解きます。

【難問】三角形ABCにおいて
2cosA+cosB+cosC=2 (式1)
が成り立っていれば、
2sinA=sinB+sinC (式2)
が成り立つことを証明せよ。

(注意)この問題は、「加法定理」の例題として出されていましたが、
必ずしも加法定理を使って解くものとは限らない。
以下に説明する証明の計算で加法定理は使わないで証明する。
そして、三角形の正弦定理sinA/|a|=1/(2R)・・・を使うことが、解答のために本質的に重要。

【重要な注意】
式1のcosの式を、加法定理その他の三角関数の変換定理で変換しても、式2に至りません。そのように、三角関数の計算の自由度は低いです(加法定理などで変換できる式も少しはありますが)。
そのため、三角関数(特に三角形の角度の三角関数)問題を自由に解くためには、三角関数の式を、なるべく、ベクトルの式やxy座標の式に変えて計算する必要があります。

(予備知識)
受験問題のときは、三角形の角度のsin、cos(三角関数)の式の証明問題は、三角関数の式をベクトルの式であらわして、図形で考えます。ベクトルを利用して図形の問題を考えることは、計算の見通しを良くするからです。

(問題をより易しい問題に変換してから解くこと)
証明すべき対象の
2sinA=sinB+sinC (式2)
を直接証明しようとする前に、この式を、図形の問題として、わかる限り、問題をかみくだいて易しい問題に変換しておいてから問題を解きます。

三角形の正弦定理sinA/|a|=1/(2R)・・・を使うと、
2sinA=sinB+sinC (式2)
は、以下の式に書き直せます。
2(|a|/(2R))=(|b|/(2R))+(|c|/(2R))
2|a|-|b|-|c|=0 (式3)
問題がここまで易しくなります。
三角形の辺の長さの関係の式3を証明すれば良いです。

(式1の変形の方針)
正弦定理を使って、証明するべき式2のsinを消去して易しくしたように、複素数平面上でのベクトルの内積の式を使って、元の条件の、式1のcosを消去します。

この式を使って、式1を以下のように書き直します。
これにより、式1から式3が導けた。
(ただし、ベクトルbとベクトルcが同一方向を向いて∠A=0の場合も解になります。)
(解答おわり)

(コメント)
 以上の計算はベクトル記号を使って計算を記述して解答できます
 しかし、複素数平面上でベクトルを複素数で記述して計算する方が、(ベクトルの"→"記号を書く必要が無いので)式を書くのが楽になり、便利です。

リンク:
ベクトル記号を使った解答
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2016年4月17日日曜日

(5)複素数平面での円と直線の交点の別解

http://schoolhmath.blogspot.jp/2013/07/blog-post_28.html

大学への数学(旧数B:複素数)の勉強

【問1】
下図のように複素数平面に、原点を中心とする半径1の円がある。
そして、複素数平面に描いた直線上の点をあらわす複素数z=x+iyとあらわす(xとyは実数とする)とする場合に、直線上の点のxとyの関係がax+by=1であらわされるものとする。
その直線とその円との交点BとCの点をあらわす複素数を求めよ。

(地道な計算練習を心がけよう)
 直観的に答えを求める解法を見つける感覚を磨くことも必要ですが、その他に、数学の力を薄っぺらな表面的なものにしないために、地道に方程式を解く計算練習を心がけましょう。
(1)方程式の難しい式を単純な形の式にして無理無く計算するコツを身につけましょう。

(方程式を計算するコツ)
 記号xやyには[長さ]を単位にする記号を使いたい。

 方程式では、足し合わされる項は必ず単位の同じ項のみが足し合わされます。足し合わされる項の単位が食い違っている式は誤りです。
 上の図の式において単位の食い違いを生まないためには、上の図の記号xとyには[長さ]の単位が与えられず、xとyは単位の無い無次元量とするしかありません。

 記号xやyを[長さ]を単位にする記号にするために、以下の図のように数式を定義して、記号xとyに[長さ]の単位を与えて問題を解くことにします。 

 この図のように記号を定義すると、
記号x,y,a,b,rに[長さ]の単位を与えることができます。
(なお、単位が無い無次元量の記号 t には目印を付けて分かりやすくします。)  

 こうして記号に[長さ]の単位を与えた方程式では、足し合わされる項は必ず単位が同じ項のみが足し合わされます。足し合わされる項の単位が食い違った式は誤りです。
 この単位の食い違いをチェックすることで式の計算間違いを発見し易くなるので、こうするととても良いです。

(先ず、方程式を書きます)

式(2)に式(1)を代入して計算します。


 この最後の式の第1項が複雑なので、第1項を新たな記号の項に置き換えます。

 その置き換えに用いる新たな記号は、その記号の値の単位を最小単位の[長さ]にする方が良い。
 それは、式の記号を[長さ]の単位を持つ記号に揃えると、式の計算ミスによる単位の食い違いを発見し易くなり都合が良いからです。
 そのため、単位が[長さ]の記号Rを以下の様に定義して、その記号Rを使って第1項を簡単化します。
以下で、記号Rを使って第1項を簡単化します。

この式の右辺の分子=
この結果を使って上の式を簡単化します。
 
 次に、1-tも計算しておきます。
次に、tと(1-t)を使って、zをあらわします。
このように地道に計算して、交点AとBの座標が求められた。
(解答おわり)

 以上の、複素数平面における地道な計算は、複素数平面を使わないで従来の座標系で行なう地道な計算よりも楽になりました。
 そのため、複素数平面は高い価値を持つと考えます。

(補足)
複素数平面の点はzで表せて、下式の様に表せますが、その式は、以下の様に、xy座標系の直線の式で表して計算できます。

 

リンク:
高校数学の目次

2016年4月16日土曜日

円(半径r)と直線の交点を座標軸を回転して解く



【問1】座標原点を中心にする半径rの円(x+y=r)と直線ax+by=cとの交点の座標を求めよ。


(地道な計算練習を心がけよう)
 直観的に答えを求める解法を見つける感覚を磨くことも必要ですが、その他に、数学の力を薄っぺらな表面的なものにしないために、地道に方程式を解く計算練習を心がけましょう。
(1)方程式の難しい式を単純な形の式にして無理無く計算するコツを身につけましょう。

(方程式を計算するコツ)
 複雑な式の項を新たな記号の項に置き換えるときは、用いる新たな記号は、その記号の値の単位を最小単位にする方が良い。
例えば、記号aやbやrの単位である[長さ]は最小単位です。一方、記号cの単位は[面積]であって、[長さ]の2乗であり、最小単位ではありません。
 そのため、cは[長さ]の単位を持つαの2乗に置き換えることで、式の計算を見通し良くします。

 方程式では、足し合わされる項は必ず単位の同じ項のみが足し合わされます。足し合わされる項の単位が食い違っている式は誤りです。

 その単位の食い違い、すなわち式の間違いを発見し易くするために、できれば、式の全ての記号を、単位が[長さ]の記号に揃えることが望ましいのです。

(なお、単位が無い無次元量の記号もありますので、無次元量の記号には目印を付けて分かりやすくします) 




【解答1】
(先ず、方程式を書きます)

この第1項の係数を単純化する記号dを以下で定義します。
このようにdの2乗の式で定義する理由は:
の式のように、覚え易い整った式を導入するためです。
覚え易い式を導入することで、
この式を応用してaを直ぐにdに変換するアイデアを出やすくするためです。
 特に、式(6’)の右辺の式が現れたら直ぐに気付いて1に単純化できるようにするためです。

式(5)に式(6)を代入して式の形を簡単にします。
以下で、この式(7)の右辺を単純化します。
上の式の計算では、式(6’)を想起して使いました。
 上の式の中に式(6’)の形の項が現れた際に、それを速やかに発見して式を単純化できるためには、dを導入した際に生まれた式(6’)が覚え易い事が必要でした。

こうして得られた結果を式(7)に代入します。
この式(8)の記号dを元の記号に戻すため、記号dの式を整理します。
式(8)に、式(9)と式(3)と式(4)を代入します。
以下の計算でこのルートの中の式を何度も書く手間を省くため、√gを定義しました。
 √gの形でgを定義する理由は、この√gは仮の形であって、計算の最後には速やかに元の式に戻すために、目印として√を加えてgを定義します。
以上の計算で得たxとyの式を以下の様に整理します。
このように地道に計算して、交点AとBの座標が求められた。
(解答おわり)

(ベクトルの概念で見ると方程式の風景が変わって見える)
 次に、ベクトルの観点で問題の方程式を見ることで見える計算の道筋に従って、やはり地道に問題を解いてみます。
【解答2】
先ず、方程式1と2から始める。
この式2においては、記号aと似ている記号αを、記号wに書き換えて、記号を間違える計算ミスを防ぐようにしました。

次に、(a,b)というベクトルの単位ベクトル(長さが1のベクトル)の係数を使って式2を式3に書き直す。
 次に、点(x.y)の座標を、座標系を、ベクトル(a,b)の方向のs座標軸と、それに垂直なベクトル(-b,a)の方向のt座標軸で表した点の座標(s,t)であらわす。
その点の座標値(s,t)と(x,y)は上の式4と式5で変換できる。
ベクトルの視点から見ると、式4と式5は合わせて、以下のベクトルの合成の式になります。
 この式4と式5で定められる写像変換では、2つの(x,y)の点は2つの(s,t)の点であらわされるし、逆に2つの(s,y)の点は、2つの(x,y)の点であらわされ、(x,y)と(s,t)が1対1対応の写像変換で結び付いています。しかも、この変換は、単に回転させた座標軸でグラフの座標を見るのと同じ変換であって、癖の無い、筋の良い写像変換です。

 この問題は、(x,y)であらわされる円の式と直線の式の交点を求めることです。
その問題を解くことは、(s,t)であらわされる円の式と直線の式の交点を求め、その解を使って式4と式5で求められます。

式4と式5を使って、式1の円の式を変数sと変数tで表してみます。
次に、式4と式5を使って、式3の直線の式を変数sと変数tで表してみます。
 式6で円があらわされ、式7で直線があらわされました。
この直線の式7を円の式6に代入して、交点(s,t)の解を求めます。
式7と式9によって、
交点(s,t)の解が得られました。
この式7と式9を式4と式5に代入します。
式10と式11が求める交点の座標を与える解です。
このxとyの式は以下の式12に整理できます。
(解答おわり)

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高校数学の目次