1动物中的数学天才“丹顶鹤”
丹顶鹤总是成群结队迁飞，而且排成“人”字形。人字形的角度是110度。更精确的计算还表明“人”字形夹角的一半——即每边与鹤群前进方向的夹角为54度44分8秒！而金刚石结晶体的角度正好也是54度44分8秒！是巧合还是某种大自然的“默契”？
2动物中的数学天才“蜜蜂”
密封蜂房是严格的六角柱状体，它的一端是平整的六角形开口，另一端是封闭的六角棱锥形的底，由三个相同的菱形组成。组成底盘的菱形的钝角为109度28分，所有的锐角为70度32分，这样既坚固又省料。蜂房的巢壁厚0.073毫米，误差极小。
3动物中的数学天才“蜘蛛”
蜘蛛网的“八卦”形网。是既复杂又美丽的八角形几何图案，人们使用直尺和圆规也很难画出像蜘蛛网那样匀称的图案。
4动物中的数学天才“珊瑚虫”
珊瑚虫在自己的身上记下“日历”，它们每年在自己的体壁上“刻画”出365条斑纹，显然是一天“画”一条。奇怪的是，古生物学家发现3亿5千年前的珊瑚虫每年“画”出400幅“水彩画”。天文学家告诉我们，当时地球一天仅21.9小时，一年不是365天，而是400天。
5植物中的数学天才“牵牛花”
到了夏季，人们随处看到绕缠在大树上生长的牵牛花。而树为圆桶状，是为了最大限度减少从各个方向吹来的风的影响。牵牛花采螺旋缠绕形式，用它的藤蔓紧紧依附在大树上生长。虽然乍看起来显得不太符合“两点之间线段距离最短”的几何学原理，但如果打开螺旋式缠绕的牵牛花藤蔓，就会发现它是线段，也就是说，牵牛花藤蔓是在用最短的距离缠绕在大树上生长的。
6植物中的数学天才“车前草”
车前草是常见的一种小草，它那轮生的叶片间的夹角正好是137.5度，按照这一角度排列的叶片，能很好地镶嵌而又互不重叠，这是植物采光面积最大的排列方式，每片叶子都可以最大限度地获得阳光，从而有效地提高植物光合作用的效率。建筑师们参照车前草叶片排列的数学模型，设计出了新颖的螺旋式高楼，最佳的采光效果使得高楼的每个房间都很明亮。
高中生物学中的数学模型 山东省嘉祥县第一中学孙国防 高中生物学中的数学模型是对高中生物知识的高度概括，也是培养学生分析推理能力的重要载体，本文通过归纳高中生物学中的数学模型以提高学生的分析推理能力。 1. 细胞的增殖 【经典模型】 1.1间期表示 1.2 有丝分裂中各时期DNA、染色体和染色单体变化 1.3 减数分裂中各时期DNA、染色体和染色单体变化 【考查考点】细胞增殖考点主要考察有丝分裂、减数分裂过程中DNA、染色体、染色单体的数量变化以及同源染色体的行为，并以此为载体解释遗传的分离定律和自由组合定律。 2. 生物膜系统 【经典模型】
【考查考点】 3物质跨膜运输 【经典模型】 【考查考点】 自由扩散、协助扩散和主动运输的影响因素和特点。 4. 影响酶活性的因素 【经典模型】 【考查考点】 影响酶活性的因素，主要原因在于对酶空间结构的影响。酶促反应是对酶催化的更高层次的分析。 5. 影响细胞呼吸及光合作用的因素 【经典模型1】 【考查考点】 真正光合速率= 净光合速率+呼吸速率 光合作用实际产O2量＝实测O2释放量＋呼吸作用耗O2 光合作用实际CO2消耗量＝实测CO2消耗量＋呼吸作用CO2释放 光合作用葡萄糖生产量＝光合作用葡萄糖积累量＋呼吸作用葡萄糖消耗量
【经典模型2】 【考查考点】氧气浓度对有氧呼吸和无氧呼吸的影响，以及在种子和蔬菜储存中的原因。 6 基因的分离和自由组合定律 【典型例题】男性并指、女性正常的一对夫妇，生了一个先天性聋哑的儿子，这对夫妇以后所生子女，（并指是常染色体显性遗传病，两种病均与性别无关） 正常的概率：_________同时患两种病的概率：_________患病的概率：_________ 只患聋哑的概率：_________只患并指的概率：_________只患一种病的概率：_________ 序号类型计算公式 1 患甲病的概率m 则非甲病概率为1-m 2 患乙病的概率n 则非乙病概率为1-n 3 只患甲病的概率m-mn 4 只患乙病的概率n-mn 5 同患两种病的概率mn 6 只患一种病的概率m+n-2mn或m(1-n)+n(1-m) 7 患病概率m+n-mn或1-不患病概率 8 不患病概率(1-m)(1-n) 7. 中心法则 【经典模型】 DNA分子的多样性：４Ｎ DNA的结构：Ａ＝Ｔ，Ｇ＝Ｃ，Ａ＋Ｇ＝Ｔ＋Ｃ，（Ａ１％＋Ａ２％）／２＝Ａ％， Ａ１％＋Ｔ１％＝Ａ２％＋Ｔ２％＝Ａ％＋Ｔ％ DNA的复制：某DNA分子复制Ｎ次所需要的游离的鸟嘌呤脱氧核苷酸：（２Ｎ－１）Ｇ １５Ｎ标记的DNA分子在１４Ｎ的原料中复制n次，含１５Ｎ的DNA分子占总数的比例：２／２n ＤＮＡ中的碱基数和其控制的蛋白质中的氨基酸数的比例关系：6:1 【考查考点】DNA的结构，碱基组成，半保留复制和基因的表达。 8. 现代生物进化理论 【典型例题】某人群中某常染色体显性遗传病的发病率为19%，一对夫妇中妻子患病，丈夫正常，他们所生的子女患该病的概率是 A．10/19 B．9/ 19 C．1/19 D．1/2 答案：A 【经典模型】 设A的基因频率为P，a的基因频率为q，因P+q=l，故(P+q)2 =I，将此二项式展开得：
5+疯狂生物数学长颈鹿吉罗德 重点学习内容 发展儿童对高度概念的理解 学会估计，比较和使用公制测量 所需器材 9090城镇超大套装，9660早期结构套装，米尺，长颈鹿玩偶 词汇 高度、比…高、比…小、比较 联系10分钟请孩子们看长颈鹿的图片和长颈鹿玩偶，讨论长颈鹿的特点。 给孩子们讲一个类似于这样的故事：“长颈鹿吉罗德和他的妈妈乔治娜一起生活在动物乐园里。长颈鹿吉罗德年纪很小，总是觉得很饿，又因为他长的不高，想快点长大，所以要吃很多的树叶。可是有些树的树枝长的太高了。吉罗德要长多高才能吃到这些树上的叶子呢？让孩子们试着描述一下大树和长颈鹿的高度，然后说明为了找出长颈鹿和大树的高度，他们需要搭建测量。 建构30分钟请孩子们搭建长颈鹿吉罗德和长满树叶的大树。
反思5分钟问孩子们：长颈鹿吉罗德和大树一样高吗？他怎样才能吃到树叶？有更简单的方法让他吃到树尖上的叶子吗？ 吉罗德有多高？用你的米尺量一量吧！ 延续10分钟请孩子们搭建吉罗德的哥哥乔治。实际上乔治刚刚被测量过了，乔治比吉罗德高的多。乔治的实际身高是16英寸（或40厘米）。因为乔治是吉罗德的哥哥，所以他们的长相几乎一样。 记录5分钟请孩子们使用米尺测量三只长颈鹿的高度，把结果记录在工作表上，并圈出长的最高的一只长颈鹿。 评估 提问，例如：乔治比吉罗德高多少？ 吉罗德的格温姑妈比他高的多。搭建格温姑妈，请家人给你和格温姑妈拍一张数码相片。在下次活动中把照片展示给你的好朋友们吧。
5+疯狂生物数学怪异小爬虫 重点学习内容 发展儿童对长度概念的理解 学会使用非标准单位估计和测量 所需器材 9090城镇大套装，9660早期结构套装，比毛虫长和比毛虫短的物体 词汇 长度、比…长、比…短、相同、测量 联系10分钟请孩子们看不同毛虫的图片。 给孩子们讲一个类似于这样的故事：“修提和施特泽是一对怪异的小爬虫。他们喜欢比赛，例如看谁能到达最高的嫩芽处；看谁能藏在最小的叶子里。今天他们正玩一个新的比赛呢。施特泽能找到比他长一点的东西吗？修提能找到比她短一点的东西吗？ 和孩子们讨论：一辆汽车只比施特泽长一点吗？一个火柴盒只比修提短一点吗？孩子们难以猜测吗？为了找出什么东西比毛虫长，什么东西比毛虫短，孩子们需要搭建出来。 搭建30分钟请孩子们搭建毛虫修提和施特泽 请孩子们找出三个比修提和施特泽都短的东西，三个比修提和施特泽都长的东西。
高中生物数学模型问题分析 生命科学是自然科学中的一个重要的分支。在高中生物课程中，它要求学生具备理科的思维方式。因此在教学中，教师应注重理科思维的培养，树立理科意识，渗透数学建模思想。本文在此谈谈，在生物教学中的几个数学建模问题。 1 高中生物教学中的数学建模 数学是一门工具学科，在高中的物理与化学学科中广泛的应用。由于高中生物学科以描述性的语言为主，学生不善于运用数学工具来解决生物学上的一些问题。这些需要教师在平时的课堂教学中给予提炼总结，并进行数学建模。所谓数学建模(Mathematical Modelling)，就是把现实世界中的实际问题加以提炼，抽象为数学模型，求出模型的解，验证模型的合理性，并用该数学模型所提供的解答来解释现实问题，我们把数学知识的这一应用过程称为数学建模。在生物学科教学中，构建数学模型，对理科思维培养也起到一定的作用。 2 数学建模思想在生物学中的应用 2．1 数形结合思想的应用 生物图形与数学曲线相结合的试题是比较常见的一种题型。它能考查学生的分析、推理与综合能力。这类试题从数形结合的角度，考查学生用数学图形来表述生物学知识，体现理科思维的逻辑性。 例1：下图1表示某种生物细胞分裂的不同时期与每条染色体DNA含量变化的关系；图2表示处于细胞分裂不同时期的细胞图像。以下说法正确的是（） A、图2中甲细胞处于图1中的BC段，图2中丙细胞处于图1中的DE段 B、图1中CD段变化发生在减数Ⅱ后期或有丝分裂后期 C、就图2中的甲分析可知，该细胞含有2个染色体组，秋水仙素能阻止其进一步分裂 D、图2中的三个细胞不可能在同一种组织中出现 解析：这是一道比较典型的数形结合题型：从图2上的染色体形态不难辨别甲为有丝分裂后期、乙为减Ⅱ后期和丙为减Ⅱ中期；而图1中的AB段表示的是间期中的（S期）正在进
数学模型在生物学中的应用 摘要 数学模型是研究生命发展规律，发现和分析生命现状的工具。建立可靠的本文从生物数学的发展、分支了解生物数学的历史，紧接着又在数学模型在生物数学的地位中了解数学模型的地位，最后在数学模型的应用中知道了微分方程模型、差分方程模型以及稳定性模型.这将有助于在生物数学的研究中，依据数学模型的基础，建立符合规律的数学模型，在生命进程中验证新的规律、新的发现，使在研究生物学时更清晰、更明了. 关键词：数学模型；生物学；应用
Application of mathematical model in Biology Abstract: Mathematical models in biology such as a microscope can be found in biological mysteries, biological research through with the establishment of the mathematical rules of the law of development of life, which launched a new discovery, new rules and in biology established reliable model of the biological status of classified analysis and forecasting. The from the history of mathematical biology development, the branch of the understanding of mathematical biology, followed by another in the mathematical model in Mathematical Biology status in understanding the status of mathematical model. Finally, in the application of mathematical model know differential equation model, the differential equation model and the stability of the model. This will help in mathematical biology research, on the basis of the mathematical model, established in accordance with the law of the mathematical model, in the process of life to verify new rules, new found in biological research clearer, more clear. Keywords: mathematical mode;biology;application
《动物中的数学“天才”》阅读 《动物中的数学“天才”》阅读 动物中的数学“天才” 何京 ①许多动物的头脑并非像人们想象的那样愚钝，它们不仅聪明，懂得计算、计量或数数，有的甚至是数学“天才”。 ②在动物的生活习性中也蕴含着相当程度的数学原理。A比如，蛇在爬行时，走的是一个正弦函数图形。它的脊椎像火车一样，是一节一节连接起来的，节与节之间有较大的活动余地。如果把每一节的平面坐标固定下来，并以开始点为坐标原点，结果发现蛇是按着30度、60度和90度的正弦函数曲线有规律地运动的。 ③小小蚂蚁的计数本领也不逊色。英国昆虫学家光斯顿做过一项有趣的实验：他将一只死蚱蜢切成小、中、大三块，中块比小块大1倍，大块又比中块大1倍，把它们放在蚂蚁窝边。B约10分钟工夫，有20只蚂蚁聚集在小块蚱蜢周围，有51只蚂蚁聚集在中块蚱蜢周围，有89只蚂蚁聚集在大块蚱蜢周围。蚂蚁数额、力量的分配与蚱蜢大小的比例相一致，其数量之精确，令人赞叹。 ④科学家发现鸬鹚会数数。中国有些地方靠鸬鹚捕鱼，主人用一根细绳拴住鸬鹚的喉颈。当鸬鹚捉回6条鱼以后，允许它们吃第7条鱼，这是主人与鸬鹚之间长期形成的约定。科学家注意到，若渔民偶尔数错了，没有解开鸬鹚脖子上的绳子时，鸬鹚则动也不动，即使渔民打它们，它们也不出去捕鱼了，它们知道这第7条鱼应该是自己的所得。 ⑤蜘蛛结的“八卦”形网是既复杂又美丽的八角形几何图案,人们即使用直尺和圆规等制图工具也很难画出像蜘蛛网那样匀称的图案来。 ⑥美国动物心理学家亨赛尔博士在试验时先给动物以错误的信息，然后观
察它们做出的反应。他曾连续一个月给100只加勒比海野猴每天一次分发2根香蕉，此后突然减少到分发1根香蕉。此时，96的野猴对这支香蕉多看了一两遍，还有少部分猴子甚至尖叫起来表示抗议。美国动物行为研究者也做过类似的试验：先让饲养的8只黑猩猩每次各吃10根香蕉，如此连续多次。某一天，研究人员突然只给每只猩猩8根香蕉，结果所有的黑猩猩都不肯走开，一直到主人补足10根后才满意地离去。由此可见，野猴和黑猩猩是有数学脑瓜的。 ⑦长期以来，包括科学家在内的所有人一直认为，只有人类才具有数学概念和进行计算的能力，而通过观察和实验才了解到，动物的智慧同样是不可小视的。 15.全文介绍了哪些具有数学头脑的动物？它们分别具有什么样的“数学天才”？ 16.文中画线句子各使用了什么说明方法？有什么作用？ A比如，蛇在爬行时，走的是一个正弦函数图形。 B约10分钟工夫，有20只蚂蚁聚集在小块蚱蜢周围，有51只蚂蚁聚集在中块蚱蜢周围，有89只蚂蚁聚集在大块蚱蜢周围。 17.“人们即使用直尺和圆规等制图工具也很难画出像蜘蛛网那样匀称的图案来”一句中的“即使”“也”能否删去，为什么？ 18.“动物的智慧同样是不可小视的。”读了上文，相信你对动物有了新的认识。请你拟写一则宣传标语，号召人们保护、善待动物。
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数学模型在生物学中的应用 摘要 数学模型是研究生命发展规律，发现和分析生命现状的工具。建立可靠的本文从生物数学的发展、分支了解生物数学的历史，紧接着又在数学模型在生物数学的地位中了解数学模型的地位，最后在数学模型的应用中知道了微分方程模型、差分方程模型以及稳定性模型.这将有助于在生物数学的研究中，依据数学模型的基础，建立符合规律的数学模型，在生命进程中验证新的规律、新的发现，使在研究生物学时更清晰、更明了. 关键词：数学模型；生物学；应用
Application of mathematical model in Biology Abstract: Mathematical models in biology such as a microscope can be found in biological mysteries, biological research through with the establishment of the mathematical rules of the law of development of life, which launched a new discovery, new rules and in biology established reliable model of the biological status of classified analysis and forecasting.The from the history of mathematical biology development, the branch of the understanding of mathematical biology, followed by another in the mathematical model in Mathematical Biology status in understanding the status of mathematical model. Finally, in the application of mathematical model know differential equation model, the differential equation model and the stability of the model.This will help in mathematical biology research, on the basis of the mathematical model, established in accordance with the law of the mathematical model, in the process of life to verify new rules, new found in biological research clearer, more clear. Keywords: mathematical mode;biology;application
第一章 概 论 第一节 学 科 界 说 生物数学(biomathematics)是一门介于生物学与数学之间的边缘学科。这门学科以数学方法研究和解决生物学问题，并对与生物学有关的数学方法进行理论研究。它的分支学科较多，从生物学的应用去划分，有数量分类学、数量遗传学、数量生态学、数量生理学和生物力学等。这些分支是数学与生物学不同领域相结合的产物，在生物学中有明确的研究范围。从研究使用的数学方法划分，生物数学又可分为生物统计学、生物信息论、生物系统论、生物控制论和生物方程等分支。这些分支与前者不同，它们没有明确的生物研究对象，只研究那些涉及生物学应用有关的数学方法和理论。 生物数学按照生物学和数学这两个方面去理解，可以从下面的图示获得形象的表示： 生物学 数 学 这里把生物学的分支领域看作一个集合，数学的不同分支领域视作另一个集合，生物数学就是这两个集合导出的乘积空间。因而生物数学的分支内容十分丰富。 生物数学具有完善的数学理论基础，包括集合论、概率论、统计数学、随机过程、对策论、微积分，微分方程、线性代数、矩阵论和拓扑学，还包括一些近代数学分支，如信息论、图论、控制论、系统论和模糊数学等。由于生命现象复杂，从生物学中提出的数学问题往往十分复杂，需要进行大量的计算工作。因此，计算机是生物数学产生和发展的基础，是研究和解决生物学问题的重要工具。90年代以来，计算机技术的进一步发展，生物学的应用又把数学模型的定量分析与电脑的信息处理技术紧密结合在一起， 计算机在生物数学中日益重要。然而，不论数学内容多么丰富，计算机的地位多么重要， 就整 个学科的内容而论，生物数学需要解决和研究的本质方面是生物学问题，数学和计算机 ×
动物中的数学“天才” 蜜蜂蜂房是严格的六角柱状体，它的一端是平整的六角形开口，另一端是封闭的六角菱锥形的底，由三个相同的菱形组成。组成底盘的菱形的钝角为109度28分，所有的锐角为70度32分，这样既坚固又省料。蜂房的巢壁厚0.073毫米，误差极小。丹顶鹤总是成群结队迁飞，而且排成“人”字形。“人”字形的角度是110度。更精确地计算还表明“人”字形夹角的一半——即每边与鹤群前进方向的夹角为54度44分8秒！而金刚石结晶体的角度正好也是54度44分8秒！是巧合还是某种大自然的“默契”？蜘蛛结的“八卦”形网，是既复杂又美丽的八角形几何图案，人们即使用直尺的圆规也很难画出像蜘蛛网那样匀称的图案。冬天，猫睡觉时总是把身体抱成一个球形，这其间也有数学，因为球形使身体的表面积最小，从而散发的热量也最少。真正的数学“天才”是珊瑚虫。珊瑚虫在自己的身上记下“日历”，它们每年在自己的体壁上“刻画”出365条斑纹，显然是一天“画”一条。奇怪的是，古生物学家发现3亿5千万年前的珊瑚虫每年“画”出400幅“水彩画”。天文学家告诉我们，当时地球一天仅21.9小时，一年不是365天，而是400天蜜蜂蜂房是严格的六角柱状体，它的一端是平整的六角形开口，另一端是封闭的六角菱锥形的底，由三个相同的菱形组成。组成底盘的菱形的钝角为109度28分，所有的锐角为70度32分，这样既坚固又省料。蜂房的巢壁厚0.073毫米，误差极小。蚂蚁的计算本领也十分高明。英国科学家亨斯顿做过一个有趣的实验：他把一只死蚱蜢切成三块，第二块比第一块大一倍，第三块比第二块大一倍，在蚂蚁发现这三块食物４０分钟后，聚集在最小一块蚱蜢处的蚂蚁有２８只，第二块有４４只，第三块有８９只，后一组差不多较前一组多一倍；蚂蚁的计算本领如此准确，令人惊奇！美国有只黑猩猩，每次吃１０根香蕉。有一次，科学家在黑猩猩的食物箱里只放了８根香蕉，黑猩猩吃完后，不肯离去，不停地在食物箱里翻找。科学家再给它１根，它吃完后仍不肯走开，一直到吃够１０根才离开。看来黑猩猩会数数，至少能数到１０植物中的数学知识李忠东精彩的“斐波那契数列” 早在13世纪，意大利数学家斐波那契就发现，在1、1、2、3、5、8、13、21、34 、55、89……这个数列中，有一个很有趣的规律：从第三个数字起，每个数字都等于前两个数加起来的和，这就是著名的“斐波那契数列”。科学家们在观察和研究中发现，无论植物的叶子，还是花瓣，或者果实，它们的数目都和这个著名的数列有着惊人的联系。像其它植物一样，桃树的叶子在排列上井然有序。它叶子的叶序周是“2”，即从起点至终点的螺旋线绕树枝两圈，5片桃树叶排列在这“2”周的螺旋空间里，有着明显的排列规律。桃花、梅花、李花、樱花等也是依照“斐波那契数列”排列的，花瓣数目为5枚。植物的果实和种子也不例外，在排列上和这个数列十分吻合。如果仔细加以观察，便能在菠萝的表层数出往左旋转的圆有13圈，向右转的圆是8圈；松树上结的松球要么是21和13，要么是34和21；仔细观察向日葵花盘，虽然有大有小，不尽相同，但都能发现它种子的排列方式是一种典型的数学模式。花盘上有两
在人类看来，动物们头脑似乎都比较简单。其实，有许多动物的头脑并非像人们想象的那样愚钝，有许多动物很聪明，它们懂得计算、计量或算数等等，还有很多动物在数学方法的研究上做了很大的贡献。下面就让你见识一下自然界中动植物中的天才！ 1.蜘蛛网 曾看过这样一则谜语：“小小诸葛亮，稳坐军中帐。摆下八卦阵，只等飞来将。”动一动脑筋，这说的是什么呢原来是蜘蛛，后两句讲的正是蜘蛛结网捕虫的生动情形。我们知道，蜘蛛网既是它栖息的地方，也是它赖以谋生的工具。而且，结网是它的本能，并不需要学习。 你观察过蜘蛛网吗它是用什么工具编织出这么精致的网来的呢你心中是不是有一连串的疑问，好，下面就让我来慢慢告诉你吧。在结网的过程中，功勋最卓著的要属它的腿了。首先，它用腿从吐丝器中抽出一些丝，把它固定在墙角的一侧或者树枝上。然后，再吐出一些丝，把整个蜘蛛网的轮廓勾勒出来，用一根特别的丝把这个轮廓固定住。为继续穿针引线搭好了脚手架。它每抽一根丝，沿着脚手架，小心翼翼地向前走，走到中心时，把丝拉紧，多余的部分就让它聚到中心。从中心往边上爬的过程中，在合适的地方加几根辐线，为了保持蜘蛛网的平衡，再到对面去加几根对称的辐线。一般来说，不同种类的蜘蛛引出的辐线数目不相同。丝蛛最多，42条；有带的蜘蛛次之，也有32条；角蛛最少，也达到21条。同一种蜘蛛一般不会改变辐线数。
到目前为止，蜘蛛已经用辐线把圆周分成了几部分，相临的辐线间的圆周角也是大体相同的。现在，整个蜘蛛网看起来是一些半径等分的圆周，画曲线的工作就要开始了。蜘蛛从中心开始，用一条极细的丝在那些半径上作出一条螺旋状的丝。这是一条辅助的丝。然后，它又从外圈盘旋着走向中心，同时在半径上安上最后成网的螺旋线。在这个过程中，它的脚就落在辅助线上，每到一处，就用脚把辅助线抓起来，聚成一个小球，放在半径上。这样半径上就有许多小球。从外面看上去，就是许多个小点。好了，一个完美的蜘蛛网就结成了。 让我们再来好好观察一下这个小精灵的杰作：从外圈走向中心的那根螺旋线，越接近中心，每周间的距离越密，直到中断。只有中心部分的辅助线一圈密似一圈，向中心绕去。小精灵所画出的曲线，在几何中称之为对数螺线。 对数螺线又叫等角螺线，因为曲线上任意一点和中心的连线与曲线上这点的切线所形成的角是一个定角。大家可别小看了对数螺
动物中的数学“天才” 2010年1月19日星期二晴 鹰类从空中俯冲下来猎取地上的小动物时，常常采取一个最好的角度出其不意地扑向猎物。 壁虎在捕食蚊、蝇、蛾等小昆虫时，总沿着一条螺旋形曲线爬行，这条曲线，数学上称为“螺旋线”。 切叶蜂用大腭剪下的每片圆形叶片，像模子冲出来似的，大小完全一样。 蜘蛛也是一位“作图”专家.它用吐出的丝结成的“八卦”形网，的确巧夺天工，这种八角形几何图案，不但结构复杂而且造型美丽，由中心向外辐射的两条相邻半径间的两段蛛丝，都是彼此平行的.此外，每一向横条蛛丝，与主要辐射向外的蛛丝相交所成的角度都相等。 蜜蜂蜂房是严格的六角柱状体，它的一端是平整的六角形开口，另一端是封闭的六角菱锥形的底，由三个相同的菱形组成。组成底盘的菱形的钝角为109度28分，所有的锐角为70度32分，这样既坚固又省料。蜂房的巢壁厚0.073毫米，误差极小。 丹顶鹤总是成群结队迁飞，而且排成“人”字形。“人”字形的角度是110度。更精确地计算还表明“人”字形夹角的一半——即每边与鹤群前进方向的夹角为54度44分8秒！而金刚石结晶体的角度正好也是54度44分8秒！是巧合还是某种大自然的“默契”？ 鼹鼠“瞎子”在地下挖掘隧道时，总是沿着90°转弯。 冬天，猫睡觉时总是把身体抱成一个球形，这其间也有数学，因为球形使身体的表面积最小，从而散发的热量也最少。
真正的数学“天才”是珊瑚虫。珊瑚虫在自己的身上记下“日历”，它们每年在自己的体壁上“刻画”出365条斑纹，显然是一天“画”一条。奇怪的是，古生物学家发现3亿5千万年前的珊瑚虫每年“画”出400幅“水彩画”。天文学家告诉我们，当时地球一天仅21.9小时，一年不是365天，而是400天。 蛇在爬行时，走的是一个正弦函数图形。它的脊椎像火车一样，是一节一节连接起来的，节与节之间有较大的活动余地。如果把每一节的平面坐标固定下来，并以开始点为坐标原点，就会发现蛇是按着30度、60度和90度的正弦函数曲线有规律地运动的。 小小蚂蚁的计数本领也不逊色。英国昆虫学家兴斯顿做过一次有趣的实验：他将一只死蚱蜢切成小、中、大共三块，中块比小块大约1倍，大块又比中块大约1倍，放在蚂蚁窝边。蚂蚁发现这些蚱蜢块后，立即调兵遣将，欲把蚱蜢运回窝里。约10分钟工夫，有20只蚂蚁聚在小块蚱蜢周围，有51只蚂蚁聚集在中块蚱蜢周围，有89只蚂蚁聚集在大块蚱蜢周围。蚂蚁数额、力量的分配与蚱蜢大小的比例相一致，其数量之精确，令人称奇。
第三章生物分类的数学模型 本章开始将讨论生物分类，按照生物分类学家的理解就是指表征分类和分支分类，我们仅研究两种分类概念下的数学理论与方法。这里的分类也是多元统计关于聚类分析的延续，但是已远远超出统计数学的范围。表征分类除经典的系统分类以外还包括图论分类、信息分类、模糊分类；分支分类是以抽象代数为基础，研究生物演化规律的分支学科。因此生物数学中的分类数学模型不能再视作多元统计中的聚类分析，而应称为分类分析。本章专门讨论分类分析中的表征分类数学模型。 第一节分类的基本概念和原始数据的获得 何谓分类？有句俗话“物以类聚”，这句话的意思是说，许多事物依据其类别的特征，相似者归为同一种类。从这个意思去理解，分类有两个要素。第一个要素是被分类的对象，分类对象是由许多被分类的实体所组成，3个以上的实体构成一个基本分类对象。被分类的实体，就是被分类的基本单位，在数量分类学中称为运算分类单位(operational taxonomic unit)简写作分类单位(OTU)。全部被分类的分类单位构成的集合称为被分类群。分类的第二个要素是分类的依据，分类依据取决于被类群中分类单位的性状，所谓性状(character)是一个分类单位区分于其他分类单位的性质、特征或属性。一个分类单位对某个性状所呈现的状态，称为该性状的性状状态(character state)，简称状态(state)。 分类就是将被分类群中所有的分类单位，依据它们的性状状态，遵从一定的原则作出划分或聚合，得到一组新的分类单位集合。通过分类获得的这个分类单位集合称为分类群(taxon)。 世界上一切事物都存在分类的问题。专门研究生物物种的分类，也就是生物分类学中的分类，有表征与分支两个对立的概念。依据生物表现性状相似性全面比较而建立的系统分类称为表征分类(phenetic classification)；遵从生物演化的谱系关系而建立的系统分类称为分支分类(cladistic classification)。这两个概念在生物分类学和数量分类学中都很重要，相应的也有两种不同的数学方法，本章将要研究表征分类。 分类单位隶属于一个分类群产生分类单位与分类单位之间的联系。如果A是被考虑的一个分类群，又有分类单位x∈A，且分类单位y∈A，则认为x与y之间建立起同属于 ·71·
生物数学 生物数学是生物与数学之间的边缘学科。它是用数学方法研究和解决生物学问题,并对与生物有关的数学方法进行理论研究的学科。如果把生物学的分支领域看作一个集合,数学的分支领域看作另一个集合,生物数学就是这两个集合导出的乘积空间。因而生物数学的分支内容非常丰富,从研究使用的数学方法划分,生物数学可分为生物统计学、生物信息论、生物系统论、生物控制论和生物方程等分支。此外,由于生命现象极为复杂,从生物学中提出的数学问题往往也十分复杂,需要进行大量计算工作,因此计算机是解决生物数学问题的重要工具。 一、生物数学的发展 生物数学产生和发展的历史，要追溯到16世纪。中国明朝的著名科学家徐光启(1562 - 1633)曾用数学的方法估算过人口的增长，他说:“头三十年为一世”, 即人口大致每30年增加一倍。这是把数学应用于生态问题的最早史例。1662年, J. Graunt研究了伦敦人口的出生和死亡率,通过计算后认为:如果略去移民，伦敦的人口每64年将增加一倍。1789年英国神父在他的著作中提出了人口按几何级数增长的理论等。这些都是早期的生物数学的零碎工作。1900年,意大利著名数学家V olterra在罗马大学的一次题为“应用数学于生物和社会科学的尝试”的演讲, 1901 年英国统计学家Pearson创办了《生物统计杂志》(Biometri2k a) ,标志了生物数学发展的一个里程碑。人们根据生命现象的普遍特点:多次重复、大量出现、随机性等,以生物统计学为基础解决生命现象所面临的问题。这一阶段的工作局限于对生命现象作静止的、定量的简单描述, 研究的数学手段也仅仅是统计学、几何学和一些初等的解析方法。DA.W. Thompson对这一阶段的研究成果作了总结,写出一部巨著《论生长与形式》, 作为生物数学萌芽阶段的代表作。在这本著作中提出了许多古典的生物数学问题, 直到今天仍然引起某些学者的关注，进行讨论和研究。20世纪20年代开始, 数学在生物中的应用不再局限于静止、孤立的描述生命现象, 开始分析生命现象复杂的过程, 并探索其规律性。人们开始使用各种数学工具, 建立起各种各样的数学模型模拟各种生命过程。数学物理方法把许多微分方程模型带进了生物学领域, 生物数学的发展进入第二阶段。美国生态学家Lotka在1921年研究化学反应和意大利数学家Volterra在1923年研究鱼类竞争时分别提出了现在已经成为生物数学研究中的经典模型之一的Lotka - Volterra 系统。同时代的另外代表人物还有: Kostitzyn、Kolmogorov、Rashevsky等。20世纪40年代末电子计算机的发明和普及应用, 使生物数学的发展进入又一个新的时期。由于生命现象的复杂性, 给生物数学带来大量运算, 只有利用电子计算机,一些生物数学问题的求解才成为可能, 因而计算机成为发展生物数学的基础。在此基础上许多生物数学的分支学科, 如数量分类学、生物控制论、生物信息论等在20世纪50年代以后如雨后春笋般相继产生, 并得到了发展。20世纪70年代随着电子计算机的发展和进一步的普及, 以此为后盾的生物数学如虎添翼飞速发展。从古典的初等数学到近代数学, 从抽象数学到应用数学, 生物数学已经把数学学科的绝大部分内容置于自己的基础之中, 具有了完整的数学理论基础。特别是70年代中期, 微分方程及动力系统的新理论和新方法大量的应用于种群生态学、种群遗传学、神经生物学、流行病学、免疫学、生理学以及环境污染等问题的研究中。生物数学在利用数学工具解决问题的同时, 又提出了更为现实的问题。20
1动物中的数学天才“丹顶鹤” 丹顶鹤总是成群结队迁飞，而且排成“人”字形。人字形的角度是110度。更精确的计算还表明“人”字形夹角的一半——即每边与鹤群前进方向的夹角为54度44分8秒！而金刚石结晶体的角度正好也是54度44分8秒！是巧合还是某种大自然的“默契”？ 2动物中的数学天才“蜜蜂” 密封蜂房是严格的六角柱状体，它的一端是平整的六角形开口，另一端是封闭的六角棱锥形的底，由三个相同的菱形组成。组成底盘的菱形的钝角为109度28分，所有的锐角为70度32分，这样既坚固又省料。蜂房的巢壁厚0.073毫米，误差极小。 3动物中的数学天才“蜘蛛” 蜘蛛网的“八卦”形网。是既复杂又美丽的八角形几何图案，人们使用直尺和圆规也很难画出像蜘蛛网那样匀称的图案。 4动物中的数学天才“珊瑚虫” 珊瑚虫在自己的身上记下“日历”，它们每年在自己的体壁上“刻画”出365条斑纹，显然是一天“画”一条。奇怪的是，古生物学家发现3亿5千年前的珊瑚虫每年“画”出400幅“水彩画”。天文学家告诉我们，当时地球一天仅21.9小时，一年不是365天，而是400天。 5植物中的数学天才“牵牛花” 到了夏季，人们随处看到绕缠在大树上生长的牵牛花。而树为圆桶状，是为了最大限度减少从各个方向吹来的风的影响。牵牛花采螺旋缠绕形式，用它的藤蔓紧紧依附在大树上生长。虽然乍看起来显得不太符合“两点之间线段距离最短”的几何学原理，但如果打开螺旋式缠绕的牵牛花藤蔓，就会发现它是线段，也就是说，牵牛花藤蔓是在用最短的距离缠绕在大树上生长的。 6植物中的数学天才“车前草” 车前草是常见的一种小草，它那轮生的叶片间的夹角正好是137.5度，按照这一角度排列的叶片，能很好地镶嵌而又互不重叠，这是植物采光面积最大的排列方式，每片叶子都可以最大限度地获得阳光，从而有效地提高植物光合作用的效率。建筑师们参照车前草叶片排列的数学模型，设计出了新颖的螺旋式高楼，最佳的采光效果使得高楼的每个房间都很明亮。
动物界中的数学大师 宇宙是用数学语言写成的。生活中的一切事物都是由数和形构成的，而数和形是数学的基本内容，因此数学便存在于我们生活的方方面面。“万物皆数”，人类离不开数学，动植物身上同样体现着数学。 “计数专家”蚂蚁 英国的昆虫学家兴斯顿做了一个有趣的实验：把一只死蚂蚱按照一块比一块大1倍的比例，切成小、中、大3块，摆放在蚂蚁洞口。当蚂蚁发现这3块食物后，立即调兵遣将前来搬运，10分钟后，大群蚂蚁如同一支由组织的军队接蹱而来，之后分别奔赴不同的猎物。昆虫学家观察蚂蚁数量的分配，不禁大吃一惊：有28只蚂蚁聚在小块蚂蚱周围，有51只蚂蚁聚在中块蚂蚱周围，有89只蚂蚁聚在大块蚂蚱周围。兵力的数量与蚂蚱大小的比例基本一致。 猫是“几何专家” 在寒冷的冬天，猫睡觉时总会把身体蜷成团。这是为什么呢？原来保持这样的姿势，身体露在冷空气中的表面积最小，散失的热量也最少。 “作图大师”蜘蛛 “南阳诸葛亮，独坐中军帐，排成八卦阵，要捉飞来将。”不用说你也知道，这是蜘蛛。它用吐出的丝结成八角形几何图案，不但结构复杂而且造型美观。中心向外辐射的两条相邻半径间的两段蛛丝，彼此都是平行的，而且每一根横条蛛丝与主要辐射向外的蛛丝相交所成的角度都相等，完全可以与画图高手一比高下。蛛网上隐藏的数学概念更是多得惊人----半径、弦、平行线段、三角形等，可谓巧夺天工。 “天象记录员”珊瑚虫 科学家们发现，珊瑚虫会在自己身上记录时间：它们在体壁上每天“刻画”一条环纹，一年“刻画”365条，既不多也不少。因此想知道它们的年龄，只要数数它们体壁上的环纹即知。
科学家们还发现，3.5亿年前的珊瑚虫，每年“刻画”在身上的环纹不是36 5条，而是400条。原因是，那时地球自转一天仅为21.9小时，一年不是365天，而是400天.瞧，珊瑚竟这样准确地记录着天象的变化，把大自然的秘密长久地保存下来。 设计能手蜜蜂 蜂房建筑可谓奇妙绝伦，清一色的六角形，层层相接，室壁的斜度总是保持13度角（可以防止蜂蜜在端顶被蜡帽盖前流出。）如此设计不但坚固实用，而且高度节省材料。纵观蜂房设计材料和工作量上的最优化、平面和空间的镶嵌图案、几何定理等惊人的工程技术，令人类工程师也不禁击掌惊叹！ 结束语： 总之，在大自然中，诸多动物的数学才能令人惊叹。鼹鼠在地下挖掘隧道时，尽管满眼漆黑，90°转弯却总是把握得很准；丹顶鹤为了利用气流减轻体能，总是排成“人”字形成群结队迁飞,而且“人”字每边与前进方向的夹角总保持为54度；鹰类猎取地上的小动物时，从空中俯冲下来总是选取一个最好的角度，令猎物猝不及防；壁虎在捕食蚊、蝇、蛾等小昆虫时，总沿着一条数学上称为“螺旋线”的轨迹爬行；切叶蜂用大颚剪下的每片圆形叶片，大小基本一致，像模子冲出来那么标准……所有这些存在于动物界鬼斧神工的数学现象，时巧合还是“物竞天择”长期的遗传积累，抑或是大自然的某些“默契”？诸多谜团有待我们继续去探索追寻。
生物与数学 人类在征服大自然的漫长过程中，不断地接触、认识各种生物。发现它们与数学之间联系密切，息息相关，奥妙莫测。正如著名科学家伽利略所说：“自然这本书，是用数学语言写成的。” 马克思说过：“蜜蜂建筑蜂房的本领使人间的许多建筑师感到惭愧。”人们赞美蜜蜂的蜂房结构，认为它是符合数学观点的最省材料的设计。其实，蜘蛛网的建造结构，又何尝不是数学家为之赞叹不已的高级几何图形。当你凝视着一张挂满晶莹露珠的蜘蛛网时，觉得它仿佛像一个圆，网的中心就是圆心，从圆心辐射出几条半径，它们的圆心角大致相等；倘若再仔细端详，又会觉得它不太像圆，因为连接相邻两条半径的蛛丝不是同心圆弧，而是平行直线。各平行线间的距离也不相等，越靠近中心越稠密。 一张蜘蛛网简直就是一幅精美的几何图形。人们就是用圆规、直尺也难以描绘得如此匀称、美观。尽管人们把蜘蛛看作是一种勤奋智慧的动物，但它毕竟不懂得什么高等几何。蜘蛛结网不过是它的本能而已。然而，蜘蛛的“数学头脑”，对科学家来说，无疑是一个有待揭示的谜。 生物的形态和生长，往往隐藏着各种数学规律。 如果仔细观察向日葵花盘上的葵花籽，可以发现它们竟是呈对数螺线排列的。假如从一些植物嫩枝的顶端往下看，植物叶子的排列也是对数螺线的形状。更令人吃惊的是，这些叶子在螺线上的距离竟然遵循着数学上的“黄金分割”规律。 几何学的知识告诉我们：在同样体积的物体中，球的表面积最小，扁平薄片的表面积最大。因而，在气候温暖、水分充足的主要农牧区，植物的叶子大多呈扁平结构。这是植物在长期进化过程中形成的，因为这是耗用最少的有机原料、制造出最大表面积的一种理想构造。 植物的叶子被人们比喻为植物的“绿色工厂”，这座工厂的动力就是太阳光。科学家发现：植物叶子“为了”更有效地进行光合作用，通过上述数学特征，采用了最佳“技术”方案。 人们还研究了一些植物的叶子和花瓣的图案，发现它们完全符合解析几何的一些曲线方程。如“笛卡儿叶线”、“玫瑰形线”方程等。其实，古时人们就发现数学上的某些封闭曲线和植物的叶和花瓣的形状非常相似。发现坐标法的大数学家笛卡尔，曾经用坐标法研究了一族曲线，鉴于这族曲线与植物有着密切的关系，因而人们给这族曲线取了一个富有诗意的名称——“茉莉花瓣”。
第五单元单元备课 动物世界——小数的意义和性质 一、教学内容 这部分内容是在学生熟练地掌握了整数的四则运算，以及在学习分数初步认识的基础上进行教学的，这部分内容是学生系统学习小数的开始。 本单元的内容主要有小数的意义和性质、小数的大小比较、生活中的小数、求一个小数的近似数。 上面这些内容是在三年级“分数的初步认识”和“小数的初步认识”的基础上教学的，是学生系统学习小数的开始。通过这部分内容的教学，使学生进一步理解小数的意义和性质，为今后学习小数四则运算打好基础。 二、教材重难点 教学重点 1、熟练运用小数的性质化简与改写小数，以及比较小数的大小。 2、熟练掌握用“四舍五入”法求小数的近似数的方法。 教学难点 1、发现和掌握小数点位置的移动引起小数大小的变化规律。 2、综合运用所学知识正确进行名数间的改写。 3、熟练掌握用“四舍五入”法求小数的近似数的方法。 三、教学目标 1、使学生理解小数的意义，认识小数的计数单位，会读、写小数，会比较小数的大小。 2、使学生掌握小数的性质和小数点位置移动引起小数大小变化的规律。 3、使学生会进行小数和十进复名数的相互改写。 4、使学生能够根据要求会用“四舍五入法”保留一定的小数数位，求出小数的近似数，并能把较大的数改写成用万或亿作单位的小数。 四、教学方法：启发法，总结法，练习法 五、教学应注意的问题 充分利用学生已有的经验和知识展开学习。引导学生充分运用观察、比较和操作的方法自主学习。
六、教学措施： 1.重视基本概念、基础知识的教学。 本单元的一些概念、法则、性质非常重要，是进一步学习的重要基础，一定要让学生掌握好。如小数的性质，不仅可以加深学生对小数意义的理解，而且还是小数四则计算的基础。再如，小数点位置移动引起小数大小的变化，既是小数乘除法计算的基础，同时也是学习小数和复名数相互改写的基础。这些知识逻辑性比较强，学生学习起来有一定的困难，教学时要注意根据学生的认知特点采用适宜的措施帮助学生理解这些知识。 2.注意调动学生已有的知识和经验，促进知识的迁移。 学生在前面所学的小数的初步知识以及整数的有关知识和经验，都可能在本单元的学习中发挥积极的迁移作用。如，小数大小的比较就可以将整数大小的比较方法迁移过来。教师应充分利用这些有利条件，激活学生的相关知识基础促进知识的正迁移，放手让学生自主探索，使学生在学会的同时，学习能力也得到提高。 七、课件教具：电子白板 八、单元课时安排： 信息窗1 2课时 信息窗2 2课时 信息窗3 2课时 信息窗4 1课时 信息窗5 1课时 复习 1课时
数学趣味小知识 动物中的"数学专家" 宇宙是用数学语言写成的。生活中的一切事物都是由数和形构成的，而数和形是数学的基本内容，因此数学便存在于我们生活的方方面面。“万物皆数”，人类离不开数学，动植物身上同样体现着数学。 “计数专家”蚂蚁 英国的昆虫学家兴斯顿做了一个有趣的实验：把一只死蚂蚱按照一块比一块大1倍的比例，切成小、中、大3块，摆放在蚂蚁洞口。当蚂蚁发现这3块食物后，立即调兵遣将前来搬运，10分钟后，大群蚂蚁如同一支由组织的军队接蹱而来，之后分别奔赴不同的猎物。昆虫学家观察蚂蚁数量的分配，不禁大吃一惊：有28只蚂蚁聚在小块蚂蚱周围，有51只蚂蚁聚在中块蚂蚱周围，有89只蚂蚁聚在大块蚂蚱周围。兵力的数量与蚂蚱大小的比例基本一致。 猫是“几何专家” 在寒冷的冬天，猫睡觉时总会把身体蜷成团。这是为什么呢？原来保持这样的姿势，身体露在冷空气中的表面积最小，散失的热量也最少。 “作图大师”蜘蛛 “南阳诸葛亮，独坐中军帐，排成八卦阵，要捉飞来将。”不用说你也知道，这是蜘蛛。它用吐出的丝结成八角形几何图案，不但结构复杂而且造型美观。中心向外辐射的两条相邻半径间的两段蛛丝，彼此都是平行的，而且每一根横条蛛丝与主要辐射向外的蛛丝相交所成的角度都相等，完全可以与画图高手一比高下。蛛网上隐藏的数学概念更是多得惊人----半径、弦、平行线段、三角形等，可谓巧夺天工。 “天象记录员”珊瑚虫 科学家们发现，珊瑚虫会在自己身上记录时间：它们在体壁上每天“刻画”一条环纹，一年“刻画”365条，既不多也不少。因此想知道它们的年龄，只要数数它们体壁上的环纹即知。 科学家们还发现，3.5亿年前的珊瑚虫，每年“刻画”在身上的环纹不是365条，而是400条。原因是，那时地球自转一天仅为21.9小时，一年不是365天，而是400天.瞧，珊瑚竟这样准确地记录着天象的变化，把大自然的秘密长久地保存下来。 设计能手蜜蜂 蜂房建筑可谓奇妙绝伦，清一色的六角形，层层相接，室壁的斜度总是保持13度角（可以防止蜂蜜在端顶被蜡帽盖前流出。）如此设计不但坚固实用，而且高度节省材料。纵观蜂房设计材料和工作量上的最优化、平面和空间的镶嵌图案、几何定理等惊人的工程技术，令人类工程师也不禁击掌惊叹！