Разные способы вычисления площадей фигур

VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Разные способы вычисления площадей фигур

Боташева С.М. 1
1Дворец творчества детей и молодежи, г. Нальчик
Суншева З.Н. 1
1Дворец творчества детей и молодежи, г.Нальчик
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

 

Математика – один из моих любимых школьных предметов. А самое сложное и одновременно самое интересное в математике - решение задач. Задачи в учебнике и сборниках попадаются самые разные и способов решения каждой задачи можно придумать несколько. Но один вид задач, как мне кажется, не похож на другие. Это задачи на клетчатой бумаге. Они кажутся необычными, более занимательными.

А встречаются ли такие задачи старшеклассникам? Я решила посмотреть открытый банк заданий ОГЭ и ЕГЭ по математике, посетить сайты по подготовке выпускников 9 и 11 классов к экзаменам. Оказалось, что задачи на нахождение площадей многоугольников на клетчатой бумаге достаются на экзаменах почти каждому выпускнику.

Вывод прост: уметь решать задачи на сетке (в т.ч. на нахождение площадей) разными способами нужно уметь каждому школьнику. В этом я вижу актуальность моей работы, а ее новизну в том, что один из рассматриваемых способов решения не разбирается в школьных учебниках математики.

Цель исследования – изучить способы вычисления площадей фигур на клетчатой бумаге, и выбрать самый эффективный.

Для достижения данной цели необходимо выполнить следующие задачи:

  1. Подобрать литературу по данной теме.
  2. Изучить способы нахождения площадей фигур на клетчатой бумаге.
  3. Провести эксперимент.
  4. Сделать выводы.

Предмет исследования: площади фигур на клетчатой бумаге.

Объект исследования: фигуры на клетчатой бумаге.

Гипотеза: самым эффективным способом вычисления площадей фигур на клетчатой бумаге является – формула Пика.

Глава 1. Способы нахождения площадей фигур на клетчатой бумаге. 1.1Площадь фигуры как сумма площадей ее частей

 

Задача №1. Найти площадь фигуры на рисунке 1 (клетки размером 1х1 см).

Разбиваем данную фигуру на четыре части, и находим площадь каждой части. Затем складываем все части, и получаем площадь данной фигуры.

S=S1+ S2+ S3+S4

S4

S1

S1=2*3= 6 см2; S2= *2*1=1 см2;

S2

S3

S3= *2*1= 1 см2; S4= *3*1= 1,5 см2

S= 6+1+1+1,5= 9,5 см2.

Рис. 1. Ответ: 9,5 см2

Задача №2. Найти площадь фигуры на рисунке 2 (клетки размером 1х1 см).

Разбиваем данную фигуру на четыре части, и находим площадь каждой части. Затем складываем все части, и получаем площадь данной фигуры.

S=S1+ S2+ S3+S4

S1

S1= *1*5= 2,5 см2; S2=4*2=8 см2;

S3

S2

S3= *1*2= 1 см2; S4= *2*4= 4 см2;

S4

S= 2,5+8+1+4= 15,5 см2.

Ответ: 15,5 см2.

Рис. 2.

Задача №3. Найти площадь фигуры на рисунке 3 (клетки размером 1х1 см).

Разбиваем данную фигуру на три части, и находим площадь каждой части. Затем складываем все части, и получаем площадь данной фигуры.

S=S1+ S2+ S3

S3

S2

S1

S1= *2*5= 5 см2;

S2=5*5=25 см2;

S3= *2*5= 5 см2;

S= 5+25+5= 35 см2

Рис. 3. Ответ: 35 см2.

1.2. Площадь фигуры как часть площади прямоугольника

Задача № 4. Найти площадь фигуры на рисунке 4 (клетки размером 1х1 см).

Опишем около данной фигуры прямоугольник. Из площади прямоугольника (в данном случае квадрата) вычтем площади полученных фигур:

S=Sпр – S1 – S2 – S3

S1

S3

Sпр=5*5=25 см2; S1= *5*4=10 см2;

S2= *5*2=5 см2; S3= *1*3=1,5 см2;

S2

S=25-10-5-1,5=8,5 см2

Ответ: 8,5 см2.

Рис.4.

Задача №.5. Найти площадь фигуры на рисунке 5 (клетки размером 1х1см).

Опишем около данной фигуры прямоугольник. Из площади прямоугольника (в данном случае квадрата) вычтем площади полученных фигур:

S=Sпр – S1 – S2 – S3 – S4

S1

Sпр=7*7= 49 см2; S1= *2*5=5 см2;

S4

S2= *2*5=5 см2; S3= *2*5=5 см2;

S2

S4= *2*5=5 см2;

S3

S= 49-5-5-5-5= 29 см2

Ответ: 29 см2.

Рис.5.

Задача №.6. Найти площадь фигуры на рисунке 6 (клетки размером 1х1см).

Опишем около данной фигуры прямоугольник. Из площади прямоугольника (в данном случае квадрата) вычтем площади полученных фигур:

S=Sпр – S1 – S2

Sпр=5*5=25 см2;

S1

S1= *3*1=1,5 см2; S2= *4*5=10 см2;

S= 25-1,5-10=13,5 см2.

S2

Ответ: 13,5 см2.

 

Рис. 6.

1.3. Формула Пика

Георг Александр Пик – австрийский математик. Родился Георг Пик в еврейской семье. Его отец Адольф Йозеф Пик возглавлял частный институт. В шестнадцать лет Пик сдал выпускные экзамены и поступил в университет в Вене. Уже в следующем году Пик опубликовал свою первую работу по математике. После окончания университета в 1879 году он получил право преподавать математику и физику. В 1880 году Пик защитил докторскую диссертацию, а в 1881 году получил место ассистента на кафедре физики Пражского университета. В 1888 году он был назначен экстраординарным профессором математики, затем в 1892 году в Немецком университете в Праге был назначен ординарным профессором (полным профессором).

В 1900 – 1901 годах занимал пост декана философского факультета.

После того как Пик вышел в отставку в 1927 году, он получил звание почётного профессора и вернулся в Вену – город, в котором он родился. Однако в 1938 году после аншлюса Австрии 12 марта он вернулся в Прагу. 13 июля 1942 года Пик был депортирован в созданный нацистами в северной Чехии лагерь Терезиенштадт, где умер две недели спустя в возрасте 82 лет.

Круг математических интересов Георга Пика был чрезвычайно широк: 67 его работ посвящены многим темам, таким как линейная алгебра, интегральное исчисление, функциональный анализ, геометрия и др. Но больше всего он известен своей теоремой о вычислении площади многоугольника, которая появилась в его восьмистраничной работе 1899 года.

Эта теорема оставалась незамеченной в течение некоторого времени после того, как Пик её опубликовал, однако в 1949 году польский математик Гуго Штейнгауз включил теорему (или как её ещё называют – формулу) в свой знаменитый «Математический калейдоскоп». С этого времени теорема Пика стала широко известна. В Германии формула Пика включена в школьные учебники.

Пусть В – число узлов решетки, расположенных строго внутри многоугольника, Г – число узлов решетки, расположенных на его границе, включая вершины, S – его площадь. Тогда справедлива следующая формула:

S = В+ – 1 ,

Это и есть формула Пика.

Задача №7. Вычислить площадь многоугольника на рисунке 7. Воспользуемся формулой Пика.

Отметим узлы:

Г=9 (синие)

В=48 (красные)

Подставив в формулы наши данные, получаем:

Рис.7. S=48 + – 1 = 51,5 см2 .

Задача №8. Вычислить площадь многоугольника на рисунке 8. Воспользуемся формулой Пика.

Отметим узлы:

Г=9 (синие)

В=16 (красные)

Подставив в формулы наши данные, получаем:

S=16 + – 1 = 19,5 см2 .

Рис. 8.

Задача № 9. Вычислить площадь многоугольника на рисунке 9. Воспользуемся формулой Пика.

Отметим узлы:

Г=8 (синие)

В=24 (красные)

Подставив в формулы наши данные, получаем

S=24 + – 1 = 19 см2 .

Рис. 9.

Глава 2. Проведение эксперимента

2.1. Результаты эксперимента

Изучив все способы нахождения площадей фигуры на клетчатой бумаге, мы решили провести эксперимент. Исследование проводилось в объединении «Знаю и считаю» Дворца творчества детей и молодежи, в котором я обучаюсь. Вместе с нашим педагогом, который также является моим научным руководителем, мы объяснили ребятам все способы вычисления площадей фигур. Затем, мы им раздали задания: по три задачи по каждому способу, и предложили решить их на время. Мы с моим научным руководителем засекали время, а ребята решали задачи.

В Таблице 1 представлены результаты каждого обучающегося по трем способам:

Ф.И. учащихся

Время, затраченное на решение задач 1-м методом (мин)

Время, затраченное на решение задач 2-м методом

(мин)

Время, затраченное на решение задач 3-м методом (Формула Пика)

(мин)

1

Алина

3,23

4,33

1,04

2

Дана

4,12

4,54

1,43

3

Дарина

5,07

4,46

2,15

4

Алина

2,32

2,45

1,12

5

Инал

2,17

2,34

0,52

6

Лалина

5,43

6,31

3,23

7

Залина

4,43

4,23

2,38

8

Руслан

2,34

3,43

1,15

9

Алина

3,56

4,52

2,43

10

Даяна

3,15

3,49

1,34

11

Алихан

2,24

2,15

0,54

12

Милена

3,12

4,37

1,32

13

Артур

5,34

5,12

2,33

14

Александр

4,47

5,42

2,46

15

Ислам

5,36

6,13

3,52

 

Всего:

3,43

4,22

1,07

Как видно из таблицы, меньше всего времени ребята затратили, решая задачи формулой Пика. В среднем на три задачи ребята потратили 1 минуту, 7 секунд – формулой Пика, а на задача другими способами – 3 минуты 43 секунды и 4 минуты 22 секунды. Но быстро не всегда означает правильно, поэтому мы посчитали количество допущенных ошибок каждого обучающегося по всем способам. Результаты представлены в Таблице 2:

Ф.И. учащихся

Количество допущенных ошибок в задачах, решенных 1 методом

Количество допущенных ошибок в задачах, решенных 2 методом

Количество допущенных ошибок в задачах, решенных 3 методом

1

Алина

1

2

0

2

Дана

2

1

1

3

Дарина

2

3

2

4

Алина

0

0

0

5

Инал

0

0

0

6

Лалина

3

3

2

7

Залина

1

2

1

8

Руслан

1

1

0

9

Алина

2

2

1

10

Даяна

1

2

0

11

Алихан

0

0

0

12

Милена

1

1

0

13

Артур

2

3

2

14

Александр

2

2

1

15

Ислам

3

3

1

 

Всего ошибок из 45 задач:

21

25

11

Из таблицы видно, что меньше всего ошибок ребята сделали, решая задачи формулой Пика. По первому методу 21неправильных задач из 45, по второму методу 25 неправильных, а по третьему методу всего 11 неправильных задач из 45, причем 7 учеников из 15 сделали все три задачи правильно, пользуясь этим методом. Это означает, что формула Пика не только сокращает время, но и помогает избежать ошибок.

Заключение

В данной работе мы рассмотрели все способы вычисления площадей фигур на клетчатой бумаге. В ходе исследования, наша гипотеза подтвердилась. В результате эксперимента, мы выяснили, что формула Пика является самым эффективным способом решения таких задач. Она проста в понимании и удобна в применении. Во-первых, достаточно уметь считать, делить на 2, складывать и вычитать. Во-вторых, можно найти площадь и сложной фигуры, не затратив много времени. В-третьих, эта формула работает для любого многоугольника. Недостаток в том, что Формула Пика применима только для фигур, которые нарисованы на клетчатой бумаге и вершины лежат на узлах клеток.

Я уверена, что при сдаче выпускных экзаменов, задачи на вычисление площади фигур не будут вызывать затруднения, если ребята будут использовать формулу Пика.

Список использованной литературы

  1. Смирнов В.А, Смирнова И.М. Геометрия на клетчатой бумаге. М., МЦНМО, 2009
  2. Математика? Легко!!! Площади фигур. – [Электронный ресурс].
  3. Жарковская Н.М., Рисс Е.А. Геометрия клетчатой бумаги. Формула Пика // Математика, 2009, № 17. – [Электронный ресурс].

Приложения

 

Приложение 1

Площадь фигуры равна сумме площадей ее частей.

Площадь фигуры как части площади прямоугольника.

Формулу Пика.

Просмотров работы: 579