为什么一些人喜欢用感性思维去解释数学(比如他们认为0.9循环不等于1)?

维科学主义的鸿宇他哥


我们周围有理性思维和感性思维两种人。理性思维的人思维严谨,逻辑清晰;感性思维的人思维发散,注重情感。这两种人在学习或运用数学知识时,会不自觉地把自身的思维特点带到舞台上。

数学来源于生活,同样也实践于生活。所以数学既是一门非常理性的课,同样也是一门非常感性的课。在数学上如何处理好感性与理性的关系,将直接反映着数学的本质问题。

理性思维的人讲得比较严谨,感性思维的人讲得比较形象。

人的思维可以分为两部分∶感性思维和理性思维。感性思维主要是靠自己的经验和直觉,去思考和判断。理性思维主要是靠已经掌握的科学的方法,去思考和判断。

感性思维活动包含:感觉、知觉、感性概念、本能思维倾向、习惯思维、联想、想象、情感活动、直觉、定量的度量、模糊的范畴思维、创造性思维。感性思维的特点是自然形成、敏感、自发产生、自动执行、孤立片面、分散并行。

理性思维包含:语言形式的概念、概念的分类、定性思维、范畴思维、逻辑隶属关系、因果推理、过程流程的思考和规划、数学与拓扑/集合/立体空间演算、色彩/旋律/布局的协调性、周期规律、清晰划界、语言组织和传播。特点是人为定义与划分、知识成体系性、形式化、可推理性、突出相互联系和相互制约关系、可传播性、可理解性。

理性思维与感性思维是相互衔接的,从感性过渡到理性,就像植物的根与冠并不是两个孤立的存在。动物也有感情,也会“喜怒哀乐”的感性表现,但绝对不会使用“演绎归纳”等理性思考方法。地球上只有一种生物具有理性思维的能力,这就是“人”。从感性思维到理性思维的进步,是地球上几十亿年来生物进化的最高结晶。就像人的两条腿,感性和理性是支撑思维的两大支柱,两者相互克制,缺少了哪一方面都不能构成完整的思维活动

感性思维在数学思维活动中的作用

美国著名教育家杜威曾说过:“一盎司经验胜过一吨理论”。经验是推动知识不断更新的,经验成为沟通学生已有的认知结构和新的数学学习活动的桥梁。数学经验是数学的感性认识,是在数学活动中积累的。

教育家陶行知曾做过一个很形象的比喻:每个人在学习时,要用自己的经验做“根”,以这经验所发生的的知识做“枝”,然后别人的知识才能接上去,别人的知识才能成为我们知识有机体的一个部分。

我们中学课堂学习更多体现在学生的实际操作和图形语言中。在直观操作中感知,建立丰富的表象,以此支撑符号语言的认知。因此,打开文字、符号、图形与动作语言的通道,从感性到理性,从形象到抽象,来培养思维的深刻性。

荷兰教育家弗赖登塔尔说:只要孩子没有对他的活动进行过反思,他就达不到高一层次。因此,学习过程中让学生及时反思,从感性到理性,把思维引向深刻。

笔者常常在课堂上给学生开辟“纠错小专家”“金话筒”“小老师”等平台,鼓励学生大胆表述自己解决问题的过程,让学生体会如何用上打比方、举例子、直观演示等手段,清晰表达自己的观点。“说”的过程暴露了学生思考的过程,思考被讲述之后内心变得更敞亮。

当下的教育在努力追求一种境界,那就是教给学生“带得走的东西”,而数学学习中“带得走的东西”,就包括学生忘掉具体数学知识以后,依然能从数学的视角去分析和研究问题的思维习惯,是一种植根于内心的数学素养和无需提醒的文化自觉,即:数学意识。

数学意识通常包括初步的符号意识、建模意识、数据分析意识、应用意识等。数学意识体现在日常生活的方方面面,可谓如影随形。

对于证明:0.999…… = 1。

对于只接触过“初等数学”的学生来说,显然,用感性思维去看待这是一个让人“无法接受”的结果,甚至于颠覆我们的认知,因为老师一直和我们说的是纯小数都比1小。先不看证明过程,至少有几个地方是值得我们怀疑的。

1)既然两个数相等,为何不用一个数表示,何必这么麻烦写那么多个9;

2)0.9的循环,小数点后面无论多少个9,总感觉比1差那么一点点。

但理性思维却又很多证明方法:

证明1(弗雷德·里奇曼(Fred Richman))

我们可以利用已知的无限循环小数,如:0.333...,证明过程如下:

1 = (1/3) × 3

= (0.333...) × 3

= 0.999...

请问,你对上述证明过程,有疑问吗?

证明2(大卫·福斯特·华莱士(David Foster Wallace))

设x = 0.999……,于是有:

10x = 9.999……,那么:

9x = 10x - x = 9.999…… - 0.999……=9

因此x = 1。

同样,请问,你对上述证明过程,有疑问吗?

证明3(欧拉(Leonhard Euler),1770年)

注:此证明过程会用到高中或大学阶段“数列与极限”。

0.999……可以看成是首项a₁为0.9,公比q为0.1的等比数列:

a₁ = 0.9,a₂ = 0.09,a₃ = 0.009,……

上述数列的所有项之和,就是0.999……。

那么,我们根据等比数列的求和公式有:

0.999…… = a1/(1-q) = 0.9/(1-0.1) = 1

证明4(极限思维)

上述证明,用到了无限项数列求和。其实在高等数学中,更是有下面极限推导过程:

证明5(闭区间套理论)

1)给定一组区间套,则数轴上恰有一点包含在所有这些区间中;

2)“0.999...”对应于区间套[0, 1]、[0.9, 1]、[0.99, 1]、[0.999, 1] ...;

3)而所有这些区间的唯一交点就是 1,所以 0.999... = 1。

证明6(算术平均值)

如果0.999…和1不相等,则两者的算数平均值必然和这两者都不相等

(0.999…+1)/2=1.999…/2=0.999…

显然,只要“1.999…”后面的9无限添加下去,除以2后的商0.999…后面的9也会无限延伸。也就是说“0.999…”和1的算数平均值与他们自身相等。

因此:0.999… = 1。

证明7(消去法)

假如我们把“0.9999...”和“0.9999...”加起来,我们先考虑截取有效位小数以后这两个数的和:

0.9+0.9=1.80.99+0.99=1.980.999+0.999=1.998.....

对于小数点后的任意一位,在取足够多位的小数之后,总是会稳定为9,因此:

0.999...+0.999...=1.999...

同样地:

1+0.999...=1.999...

根据消去率,0.999...=1

此题证明源自于"知乎"作者“十一太保念技校”的回答。

请问,你对上述证明过程,有疑问吗?

证明8(阿基米德)

令0.999…=a, a要么大于1,要么小于1,要么等于1。因为a>1,这是不可能的,所以我们再看a<1的情况:

1)假设a<1,必定存在b,使得a

2)令k=1-b代入上式,于是得到1-a<1-b;

3)不等式移项处理后,得到:a>b,这跟假设“a

所以a<1不成立,故:a=1。

证明9(短除法)

我们用1去短除1,试商时,第一位试为0,如下图所示:

证明11(两式相减)

如下两式:

1)0.999999… × 10 =9.99999…2)0.999999… × 100=99.9999…

把它们相减,得:

0.999999…*90 = 90

所以:0.99999… = 1。



反思与感悟

《数学新课标》中提出:学生的数学学习内容应当是实现的、有意义的、富有挑战性的,这些内容要有利于学生主动地进行观察、实验、猜测、验证、推测与交流等活动。内容的呈现应采用不能单纯地依赖模仿与记忆,动手实践、自主探索与合作交流是学生学习数学的重要方式。因此数学教学要让学生在亲历中体验,在体验和反思中积累,让经验的“根”长的更深。

在传统的教学中,我们数学体现着非常理性的一面,知识的传授过程崇尚以掌握知识为主,注重的是结果。而新课程则更多地关注知识形成的过程,推崇数学感性的一面。

在数学教学中,把一个分析和处理问题的时间缩短是有效教学的一种策略,把一个问题拉长也是一种策略。缩短可能增加知识的容量,拉长可能提升学习的质量。课堂学习不仅要结论,更要引导学生用个性化的表达来展示思考过程。这个过程犹如登山,“转过一座山,绕过一道岭,眼前又是一座峰”,思维的过程中充满着探索,充满着期待,这种“智力的历险”恰是思维的一种深层次的“狂欢”。

根据数学其本身的特点和属性,我们可以从中看出,数学不光是一门非常理性的课,同时也是一门注重感性的课。在数学上对于感性与理性的融合就好比一男一女合演双人舞,只要一方发挥不好就难以演出精彩的舞蹈。

2014美国年度教师肖恩•麦考说:学生就像一棵树,成绩只是暴露在地表外的枝丫,思维模式才是深埋地下的树之根本。数学课堂,我们期待学生乐听、善思、能辨,这样的学习体验对于学生来说是深刻的。


老张教育新思享


实数的定义其实是通过序列的极限(有很多其它等价形式,例如区间套)来做的,所以不要把上面看成数而应该看成两个序列,它们都代表一这个实数。感性理解毛病在于不知道数的定义,把数和序列等同了。


俸旻


我是谁?谁是我?我从哪来,我将何往?


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