几何问题
数列在几何问题中有广泛应用,从简单的图形分割到复杂的分形几何,都能看到数列的身影。
例1:三角形分割
将一个三角形的三边中点连接,得到4个小三角形。重复这个过程,第 次分割后有多少个三角形?
解:
- 第1次:4个
- 第2次: 个
- 第3次: 个
- 第 次: 个
这是等比数列,公比为4。
例2:正方形分割
将正方形四等分,取走右上角,对剩余三个正方形重复此过程。第 次后剩余面积是多少?
解:
设原正方形面积为1,每次剩余 :
这是等比数列,
谢尔宾斯基三角形
从等边三角形开始,每次去掉中间的小三角形,重复无穷次。
第 次后:
- 三角形个数:
- 总面积:( 是原面积)
当 :
- 三角形个数
- 总面积
这就是分形的奇妙之处!
例:无限分割的正方形
边长为1的正方形,依次取走面积的 ,剩余面积是多少?
解:
取走的面积和:
剩余面积:
例:球的堆积
第1层放1个球,第2层放4个,第3层放9个,……第 层放 个。前 层共有多少个球?
解:
练习 1
将边长为1的正方形分成4个小正方形,再将每个小正方形分成4个更小的正方形,如此重复 次。第 次后有多少个小正方形?每个小正方形的边长是多少?
解题思路: 每次分割都让小正方形的数量变为原来的 4 倍、边长变为原来的 ,两个量各自构成等比数列,分别套通项公式即可。
详细步骤:
- 数量:初始 1 个,每次变为 4 倍,故 次后为 个。
- 边长:初始为 1,每次减半,故 次后为 。
- 两个结果都是等比数列的通项,可直接验证 时分别为 4 个与 。
最终答案: 个,边长
练习 2
一个等边三角形,边长为1。连接各边中点得到4个小三角形,去掉中间的一个。对剩余的3个三角形重复此操作。求第 次操作后剩余图形的周长。
解题思路:
先确定初始周长和每期的增长倍数,再写出周长随期数变化的等比通项公式。
详细步骤:
初始周长:3
第1次:去掉中间三角形后,周长变为
第2次:每个小三角形周长变为原来的 倍
第 次周长:
最终答案:
注:周长趋于无穷,但面积趋于0!
本文出现的符号
| 符号 | 类型 | 读音/说明 | 在本文中的含义 |
|---|---|---|---|
| 数学符号 | n | 分割次数 | |
| 数学符号 | S-sub-n | 第 次后的面积 | |
| 数学符号 | S-sub-zero | 初始面积 | |
| 数学符号 | three quarters | 每次剩余的边长比例 | |
| 数学符号 | infinity | 无穷大 | |
| 数学符号 | limit as n approaches infinity | 趋于无穷时的极限 | |
| 数学符号 | S | 无穷级数的和 |
中英对照
| 中文术语 | 英文术语 | 音标 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 分形 | fractal | /ˈfræktəl/ | 自相似的几何图形 |
| 谢尔宾斯基三角形 | Sierpinski triangle | /sɪərˈpɪnski ˈtraɪæŋɡəl/ | 经典分形图形 |
| 无穷级数 | infinite series | /ˈɪnfɪnət ˈsɪəriːz/ | 无穷多项的和 |
| 等比数列 | geometric sequence | /ˌdʒiːəˈmetrɪk ˈsiːkwəns/ | 公比固定的数列 |
| 周长 | perimeter | /pəˈrɪmɪtə/ | 图形边界的长度 |
