反证法在数学解题中的应用研究

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   面对这个高速发展的信息时代,人们对生活、对发展需要经常思考,进行推理,以致对结论的肯定或否定.遗憾的是长期以来对于一系列的解题,更重视对学生正向思维能力的培养,往往忽略了间接推理的重要性.很多时候我们经常思维定势,就想直接证明,不习惯用间接的论证方法解决问题.反证法是一种普遍运用的间接证明方法.当正面解决问题困难时,它可以从命题的反面入手,使之迎刃而解.
   一、反证法的简单介绍
   反证法又称归谬法、背理法,是一种论证方式,属于“间接证明” 的一种(引用于现行人教版数学教材).所谓反证,就是将要证明的反面情况驳倒就可以了.首先假设原命题不成立(即我们在原命题的条件下,假定结论不成立),据此推导出明显矛盾的结果,从而得出结论说原假设不成立,原命题得证.
   关于反证法的逻辑依据不得不提两个重要的思维方式——“矛盾律”和“排中律”.矛盾律:在同一论证过程中,两个互相反对或互相否定的论断,其中至少有一个是假的.排中律:任何一个命题判断或思想或者为真或者为假(不真),二者必居其一. 法国数学家J·阿达玛曾概括为:“这证法在于表明:若肯定定理的假设而否定其结论,就会导致矛盾.”这就是说反证法并非直接证明命题的结论,先是提出与需证结论反面的假定,然后推导出和公理、定理、定义或与题中假设相矛盾的结果.这样,就证明了与待证命题的结论相反的假设无法成立,从而肯定了原来待证命题.用反证法完成一个命题的证明,大体上有三个步骤:否定结论 → 推导出矛盾 → 结论成立.
   二、反证法在数学解题中的应用
   (一)在肯定性命题中的应用
   即结论以“……总是……”、“……都……”、“……全……”等出现的,这类肯定性命题可以用反证法进行尝试.
   如(代数问题)求证:无论n是什么自然数,总是既约分数.
   证明:假设不是既约分数,
   令21n+4=k?琢 (1),14n+3=kb (2),(k,?琢,b?缀N,k>1)
   既约,由(2)×3-(1)×2得3kb-2k?琢=1?圯3b-2?琢=,因为3?琢-2b整数,为分数,则3?琢-2b=不成立,故假设不成立,分数是既约分数.
   (二)在否定性命题中的应用
   即结论以“没有……”“不是……”“不能……”等形式出现的命题.
   (三)在限定性命题中的应用
   在命题结论中含有“至少”、“不多于”、“至多”或“最多”等词语.
   如(代数问题,抽屉原理)把2110人分成128个小组,每组至少1人,证明:至少有5个小组的人数相同.
   证明:如若128个小组中,没有5个小组的人数相同.则至多有4个小组的人数相同.那么不同人数的小组是:128÷4=32个,对32个小组,我们这样分组:有4个组每小组1人,有4个组每小组2人,有4个组每小组3人,依法分组……有4个组每小组32人,故有:
   4×(1+2+3+……+32)=4×[32×(1+32)÷2]=2112
    这样2112-2110=2(人) ,多出2人.故以上多于1人或2人的某一個小组人数就减少1人或2人,那么相同人数的组数就比4个多了,即5个或多于5个以上. 故至少有5个小组的人数相同.
   (四)在不等量命题中的应用
    不等式是学生需掌握的一大重点.当不等式的反面情况比较少时,题中若要求证明不等式成立时,那么只需用反证法来证实其反面不成立.
   (五)在互逆命题中的应用
    已知原命题是正确命题,在求证其逆命题时可使用原命题结论,此时反证法为解题提供更多便捷.
   如(平面几何问题)
    原命题:若四边形有一个内切圆,则对边之和必相等.
   逆命题:若四邊形对边之和相等,则它必有一个内切圆.
  逆命题的证明:
   三、对反证法运用的思考
   (一)在解题时,仔细审题是第一步.当运用反证法时,正确否定命题的结论是首要问题.要使一个待证命题的结论成立,需根据正难则反的原则.从结论的反面来间接思考问题,值得注意的是命题结论的反面情况并非唯一.若结论的反设只有一种情况,称之为简单归谬.例如,证明根号2是无理数,只需证根号2不是有理数.若结论的反面不止一种情况,称之为穷举归谬.必须将所有可能情况全部例举出来,并需要不重不漏地一一否定,只有这样才能肯定原命题结论成立.例如,证明某类数不为正数,则可以从正数的反面负数与零入手.
   (二)明确逻辑推理的特点
   反证法的任务首先需否定结论导出矛盾.至于出现什么样的矛盾,何时出现矛盾,矛盾是以何种方式存在,都是我们无法计算和预测的.证明的过程没有一个机械的统一标准,但最终都会得到矛盾,而这个矛盾一般总是在命题的相关领域内进行考虑.例如,空间解析几何,平面几何,代数等问题常常与相关的公理、定理、定义等相联系.正因为与这些公式的规则,定理相互矛盾,进而说明原结论的正确性.这便是反证法的推理特点.做到正确否定命题结论,严格遵守推理规则,推理过程中步步有理有据,矛盾出现时,证明就已完成.
    (三)了解产生矛盾的种类
    矛盾的出现有很多种,知道导致矛盾的种类,可以更迅速,更有效的解题.
   1.与已知相矛盾;2.与定理相矛盾;3.与定义相矛盾;4.与公理相矛盾;5.与生活常识相矛盾。
    总之,在中国传统数学中,古代时期就有涉及到反证法,由于中国传统逻辑学不完备,人们认识到的也只是一些逻辑规律.他们大多数用的是反驳,其中也经常使用到归谬论证法。在此之间,墨子提及了反证法,从“学之益也,说在诽者”,以证明“学习无益”为假,从而得到“学习有益”为正确命题。刘徽在《九章算术》中运用反驳的方法来证明某些公式是错误的。可见反证法的历史渊源长久,值得我们好好探索。
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