数学抽象

前言

题目原貌

【选自2021届黄冈八模测试卷一第16题】纸张的规格是指纸张制成后,经过修整切边,裁成一定的尺寸。现在我国采用国际标准,规定以 (A_0)(A_1)(A_2)(B_1)(B_2)(cdots) 等标记来表示纸张的幅面规格。 复印纸幅面规格只采用 (A) 系列和 (B) 系列,其中系列的幅面规格为:

(1). (A_0),(A_1),(A_2),(cdots),(A_8), 所有规格的纸张的幅宽(以 (x) 表示)和长度(以 (y) 表示 ) 的比例关系都为(x:y=1:sqrt{2})

(2).将 (A_0) 纸张沿长度方向对开成两等分,便成为 (A_1) 规格,(A_1) 纸张沿长度方向对开成两等分,便成为 (A_2) 规格, (cdots), 如此对开至 (A_8) 规格。

现有 (A_0)(A_1)(A_2)(cdots)(A_8) 纸各一张, 若 (A_4) 纸的宽度为(2 dm), 则 (A_0) 纸的面积为 ____________ (dm^{2}); 这 (9) 张纸的面积之和等于 ____________ (dm^{2})

初步解析

结合题目,我们做个示意图,大致得到如下信息,

① 每个规格的纸张的长度是宽度的 (sqrt{2}) 倍,

(A_0) 能被等分为两个 (A_1),同理,(A_1) 能被等分为两个 (A_2),等等,

(A_0) 的宽度是 (A_1) 的长度,(A_1) 的宽度是 (A_2) 的长度,等等,

(A) 系列的纸张的长度能构成等比数列,(A) 系列的纸张的宽度能构成等比数列,

抽象概括

为便于表述,我们需要定义各个幅面规格,原本是 (A_0)(A_1)(A_2)(cdots)(A_8)(9) 个,

需要将其高度抽象概括,糅合为一句话,可以引入动态下标,比如不妨定义为 (A_{i}) ((i=0,1,2,cdots,8)),

同时需要定义各个规格 (A_{i}) 的长度和宽度,由于每一种规格都有长度和宽度,故要注意对应性,

(A_{i}) ((i=0,1,2,cdots,8))的纸张的长度为(a_{i+1})[注意,一则数列中没有(a_0),故使用(a_{i+1});二则此处还暗含了函数关系,比如当你认可了(A_{i}) 纸张的长度为(a_{i+1})后,则(A_{i+1}) 纸张的长度为(a_{i+2})(A_{i+2}) 纸张的长度为(a_{i+3}),等等如此,],面积为(S_{i+1})[注意事项同于前边],

接下来,要寻找其中的等量关系,以便于找到解题的突破口和题目的模型,

注意到,(A_{i+1}) 的长度和 (A_{i}) 的宽度相等,故相等关系有了,只要分别表达即可。

到此,我们基本能确定,应该依托等比数列的模型来求解即可;

整合解析

解析:可设幅面规格为 (A_{i}) ((i=0,1,2,cdots,8))的纸张的长度为(a_{i+1}),面积为(S_{i+1})

(A_{i}) 的宽度为 (cfrac{sqrt{2}}{2}a_{i+1})(A_{i+1}) 的长度和 (A_{i}) 的宽度相等,

(A_{i+1}) 的长度为 (a_{i+2}=cfrac{sqrt{2}}{2} a_{i+1}), 即(cfrac{a_{i+2}}{a_{i+1}}=cfrac{sqrt{2}}{2})

故数列 ({a_n})是以 (cfrac{sqrt{2}}{2}) 为公比的等比数列,

由题意可知,(A_{4})纸的宽度为(cfrac{sqrt{2}}{2}a_{5}=2), 故 (a_{5}=2sqrt{2})

(a_{1}=cfrac{a_{5}}{(cfrac{sqrt{2}}{2})^{4}}=cfrac{2 sqrt{2}}{cfrac{1}{4}}=8sqrt{2})

(A_0) 纸的面积为 (S_{1}=)( imes)(=cfrac{sqrt{2}}{2}a_{1}^{2}=cfrac{sqrt{2}}{2} imes(8sqrt{2})^{2}=64sqrt{2}) ((dm^{2}))

(S_{1}=cfrac{sqrt{2}}{2}a_{1}^{2})(S_{2}=cfrac{sqrt{2}}{2}a_{2}^{2})(cdots),则(S_{n}=cfrac{sqrt{2}}{2}a_{n}^{2})

(cfrac{S_{n+1}}{S_{n}}=cfrac{cfrac{sqrt{2}}{2}a_{n+1}^{2}}{cfrac{sqrt{2}}{2}a_{n}^{2}}=(cfrac{a_{n+1}}{a_n})^2=(cfrac{sqrt{2}}{2})^2=cfrac{1}{2})

故数列 ({S_n}) 是以 (64sqrt{2}) 为首项,以(cfrac{1}{2})为公比的等比数列,

因此,这 (9) 张纸的面积之和为(sumlimits_{i=1}^9S_{i})(=cfrac{64sqrt{2} imes(1-cfrac{1}{2^{9}})}{1-cfrac{1}{2}}=cfrac{511sqrt{2}}{4}) ((dm^{2}))

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