∿数学互动实验室
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李卓奇

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THE MATHEMATICAL EXPLORATION LAB

让一个猜想,
从亲手探索开始

移动一个点,改变一个参数,再多做一组试验。把数学中的变化看见,把观察到的现象说清楚,再沿着问题走向解释与证明。

10组互动实验实时图形与数值反馈离线打开即可探索
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操作 → 观察 → 猜想 → 解释 → 证明
把操作变成思考

先改变一个参数,描述你看到的现象;再尝试极端情形,寻找规律的边界。每个实验附有课堂追问和可展开的数学解释。模拟与图形帮助提出猜想,证明还需要完整的逻辑。

TEN WINDOWS INTO MATHEMATICS

选一个问题,动手试试

从目录选择一个实验,在独立操作区观察、追问与解释。切换实验保留本次操作,刷新页面重新开始。

01 — 10

01 / 10 · 圆锥曲线

EXPERIMENT 01

焦点之间,曲线如何改变

解析几何 · 参数探索

椭圆与双曲线固定 a=2,调整离心率 e=c/a;抛物线采用 y²=4x。用动点比较三类曲线的距离关系。

观察与追问

在椭圆模式下,观察焦点移动与曲线扁平程度的关系。让动点绕行一周:两段距离在变,距离和是否在变?

把问题带进课堂为什么焦点越靠近中心,椭圆越接近圆?“到焦点的距离和不变”与“距离差不变”,会产生怎样不同的曲线?
展开数学解释与适用条件

椭圆模型中 a=2,c=ae,b²=a²−c²,动点 P=(a cos t,b sin t),PF₁+PF₂=2a。双曲线中 b²=c²−a²,所示为两个分支及右支动点,距离差的绝对值为 2a。抛物线用 y²=4px、p=1,焦点为 (p,0),准线为 x=−p;动点到焦点与准线的距离相等。圆是椭圆 e=0 的情形;这时不再使用有限准线的焦准比定义。图形按同一比例绘制,不模拟三维切割。

EXPERIMENT 02

从割线,走向切线

微积分 · 局部变化

固定函数 f(x)=x²,选择基点 x₀,再缩小正增量 h。实线表示割线,虚线表示基点处的切线。

观察与追问

先固定 x₀,让 h 逐渐减小,比较割线斜率与切线斜率。再改变 x₀,看不同位置的局部变化率。

把问题带进课堂在顶点 x₀=0 附近,函数还在变化,为什么导数却等于 0?当 x₀ 为负时,斜率的负号表达什么?
展开数学解释与适用条件

本例差商为 [(x₀+h)²−x₀²]/h=2x₀+h,所以 h 趋于 0 时,差商趋于 2x₀。界面只取正增量;对这个函数,从负增量一侧也得到相同极限。一般函数的导数需要两侧极限一致,端点处则另行讨论。h=0 时不能直接代入差商。

EXPERIMENT 03

把面积,一小块一小块累积

微积分 · 逼近与误差

估计 y=x² 在 [0,1] 上的曲线下面积。调整分割数,并比较三种矩形取高方式。

观察与追问

增加分割数,看矩形面积和与 1/3 的差距。保持 n 不变,比较左端点、右端点和中点的结果。

把问题带进课堂为什么左端点法低估、右端点法高估?若改用递减函数,两者的关系会怎样变化?
展开数学解释与适用条件

在 [0,1] 上,x² 连续且递增,左端点和不超过真实面积,右端点和不小于真实面积。积分 ∫₀¹x²dx=1/3。中点和在本例中偏小,其误差为 −1/(12n²)。这是特定函数的结论,不能直接推广为所有函数都低估。

EXPERIMENT 04

在随机中,观察频率的波动

概率 · 独立重复试验

模拟独立的硬币试验,正面概率为 p。每次追加一批试验,曲线记录累计正面频率。相同概率与种子可重现同一串试验;调整 p 或种子会开始一组新试验。

每组最多 100,000 次;在浏览器中使用固定算法生成伪随机序列,仅供本模型课堂演示。

观察与追问

比较早期与后期的频率波动。频率可能暂时远离概率;使用相同种子重做,再更换种子比较另一组曲线;相同试验次数下,频率是否相同?

把问题带进课堂连续出现很多次正面后,下一次反面的概率会变大吗?怎样用独立性的假设解释你的判断?
展开数学解释与适用条件

在固定 p、独立重复的伯努利模型下,频率的期望为 p,标准差为 √[p(1−p)/n]。大数定律描述随次数增长的概率收敛,不保证误差逐步单调减小,也不意味着下一次会补偿过去的偏差。界面为保持清晰,在试验很多时对曲线显示点进行抽样,统计值仍计入全部试验。

EXPERIMENT 05

一笔画,先试再找规律

图论 · 路径与证明

选择图形后依次点击相邻顶点,每条边只走一次,顶点可以重复经过。七桥图中,同一对陆地间的两座桥会按编号依次使用;交叉处没有字母标记时不是顶点。可完成的图形提供起点建议与参考路线。

支持鼠标、触屏与键盘:Tab 选择顶点,Enter 或空格确认。

观察与追问

先从不同顶点尝试,再观察各顶点的度数。为什么某些起点走不完,另一些起点却有机会完成?

把问题带进课堂一条边只走一次,与一个顶点只经过一次,是同一件事吗?把一条边删除后,条件可能怎样改变?
展开数学解释与适用条件

对去掉孤立点后连通的有限无向图,存在经过每条边恰好一次的欧拉路径,当且仅当奇度顶点有 0 个或 2 个。若有两个,路径必须从一个奇度顶点出发,到另一个结束。必要性的直观是:除起点和终点外,每次进入都要配对一次离开。充分性还需要构造路径的论证。双环图的各顶点均为偶度,可从任意顶点出发并回到起点。哥尼斯堡七桥把四块陆地看作顶点,七座桥看作边,度数为 3、5、3、3,因此无法各经过一次。连接同一对陆地的不同桥是不同的边,图中用两条独立曲线表示。房子网络只有底部 A、B 为奇度顶点,需从其中一个出发;K₄ 有四个奇度顶点,作为不可完成的反例。

EXPERIMENT 06

重复一个规则,生成一条雪花边

分形 · 有限迭代

从一条线段出发,把每段中间三分之一换成向外凸起的等边三角形两边。这是科赫曲线的一条边,不是完整闭合雪花。

观察与追问

每次迭代后,线段数量乘以 4,每一小段长度变为原来的 1/3。观察总长度怎样变化,而图形仍然留在有限区域。

把问题带进课堂为什么图形没有无限扩张,总长度却可以无限增长?有限次迭代与无限次迭代之间有哪些不能省略的差别?
展开数学解释与适用条件

若初始线段长 L₀,第 k 次迭代共有 4ᵏ 段,每段长 L₀/3ᵏ,总长 L₀(4/3)ᵏ。无限次迭代的极限曲线具有自相似性,其相似维数 d 满足 4(1/3)ᵈ=1,故 d=log 4/log 3≈1.2619。屏幕只展示有限折线;有限折线的维数仍为 1,不能将极限对象的性质直接赋给预览图。

EXPERIMENT 07

让角度,变成圆上的坐标

三角函数 · 单位圆

沿单位圆改变角度 θ。观察点 P 的横坐标、纵坐标,以及它们在四个象限中的正负。

观察与追问

先看 0°、90°、180° 和 270°,再比较 θ 与 180°−θ。橙色、蓝色线段表示有向投影,负值由坐标方向决定。

把问题带进课堂为什么有些角的正弦相同、余弦却符号相反?在所有角度下,两个坐标的平方和为什么始终为 1?
展开数学解释与适用条件

单位圆半径为 1,P=(cos θ,sin θ)。由距离公式得 cos²θ+sin²θ=1。角度先按 θπ/180 转为弧度再计算。图中的有向投影不是普通非负长度;它们的绝对值才是对应线段的长度。

EXPERIMENT 08

拼出一块面积,读懂勾股关系

几何 · 面积与证明

改变直角三角形的两条直角边 a、b。四个全等三角形围成大正方形,中央留下一个边长为 c 的正方形。

观察与追问

比较大正方形面积、四个三角形面积与中央区域面积。a=b 时,中央区域仍是正方形吗?

把问题带进课堂为什么中央四个角都是直角?如果不先证明中央图形是正方形,面积相减的论证还缺少什么?
展开数学解释与适用条件

设斜边长为 c。相邻三角形的两个锐角之和为 90°,故中央四边形的内角都是 90°,四条边又同为斜边 c,所以它是正方形。于是 c²=(a+b)²−4·ab/2=a²+b²。图中自动缩放的是整体比例,面积数值仍按当前 a、b 计算。

EXPERIMENT 09

让一条直线,尽量贴近数据

统计 · 最小二乘

固定五个示例数据点,调整直线的斜率 m 和截距 b。橙色虚线表示竖直残差,比较它们的平方和。

观察与追问

尝试仅改变截距,再仅改变斜率。能否找到让残差平方和比当前值更小的直线?点击按钮后,再轻微扰动参数。

把问题带进课堂为什么正负残差直接相加会互相抵消?最小二乘解唯一,是否就意味着它能解释数据产生的原因?
展开数学解释与适用条件

固定数据为 (0,1)、(1,2)、(2,2)、(3,4)、(4,5)。最小化 SSE=Σ[yᵢ−(mxᵢ+b)]²。由于横坐标不全相同,最小解唯一:m=1、b=0.8,SSE=0.8。残差按竖直方向度量,区别于点到直线的最短距离;拟合关系不能单独证明因果关系。

EXPERIMENT 10

一次取一半,逐步逼近平方根

算法 · 二分与误差

从 [1,2] 开始求 x²−2=0 的正根。每次取中点,再保留函数值异号的半个区间。

观察与追问

比较区间长度与中点近似值。每做一次二分,误差上界怎样变化?区间很窄时,优先看数值,而不是屏幕上的像素宽度。

把问题带进课堂只知道两个端点函数值异号,能保证中间有根吗?如果函数不连续,会出现什么反例?
展开数学解释与适用条件

x²−2 在 [1,2] 连续且严格递增,端点异号,所以区间内恰有一个根。k 次二分后,区间宽为 2⁻ᵏ;用区间中点近似,绝对误差不超过 2⁻⁽ᵏ⁺¹⁾。一般连续函数的异号区间保证至少有根,未必只有一个。

TAKE THE NEXT STEP

做完实验,再往前走一步

READ THE IDEA

我想理解背后的概念

从空间、变化、随机和算法,找到实验所依赖的思想。

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我想知道为什么成立

沿着定理的准确陈述、证明路线与资料,继续追问。

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看看实验如何与人物、问题和数学成果连接。

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SOURCES & READING NOTES

把直观带向准确的理解

微积分与解析几何

函数、极限、导数与积分,以及圆锥曲线的定义和基本关系,参照开放教材编写。

OpenStax · Calculus Volume 1 ↗OpenStax · Precalculus 2e ↗

结构、随机与网络

群的语言参照大学讲义;概率、图论和分形提供原作者教学材料入口。本站文字与图示为重新编写。

Oxford · Groups and Group Actions ↗OpenStax · Introductory Statistics 2e ↗Mathigon · Graphs and Networks ↗Mathigon · Fractals ↗

阅读与使用

面向中学生、教师和对数学感兴趣的读者。图示是理解的入口;有限次数的实验不能替代证明。各实验注明模型、范围和条件。

原创 SVG 数学图解,无需外部图片或字体即可浏览。资料日期:2026年10月。

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