数学结论的正确性必须通过逻辑推理的方式加以证明.证明的基本方法有直接法和间接法,反证法是间接证明的一种基本方法.
认识反证法
王戎(晋朝人,竹林七贤之一)7岁时,与小伙伴外出游玩,看到路边的李数上结满了果子,小伙伴们纷纷去摘果子,只有王戎站在原地没动.路人不解,王戎回答道:“树在道边而多子,此比苦李.”小伙伴摘取一个尝了一下果然是苦李.王戎是怎样知道李子是苦的?他运用了怎样的推理方法?
他的推理过程可简单的表述为:如果李子不是苦的,它就不可能长在道路旁,且上面结了那么多李子.这种推理方法叫做反证法(归谬法).
1.反证法的定义:假设原命题不成立(即在原命题的条件下,结论不成立),经过正确的推理,最后得到矛盾,因此说明假设错误,从而证明了原命题成立,这样的证明方法叫做反证法(reduction to absurdity).
2.反证法的实质:先否定结论,后导出矛盾,从而说明结论的反面是错误的,故原命题成立.
3.反证法证明命题的一般步骤:
①假设命题的结论不成立,即假设结论的反面成立;
②从这个假设出发,经过推理论证,得出矛盾;
③由矛盾判定假设不正确,从而肯定命题的结论成立.
注1.“推理论证”是指由假设结合所学知识进行分析、推理和论证;
注2.“导出矛盾”是指和已知条件矛盾,或与假设矛盾,或与定义、定理、公理、事实矛盾等;
4.一个反证法的范例
证明:素数有无穷多个。
这个古老的命题最初是由古希腊数学家欧几里德(Euclid of Alexandria,生活在亚历山大城,约前330~约前275,是古希腊最享有盛名的数学家)在他的不朽著作《几何原本》里给出的一个反证法:
假设命题不真,则只有有限多个素数,设所有的素数是2=a1
此时,令N=a1*a2*…*an,那么所有的ai(i=1,2,……,n)显然都不是N的因子,那么有两个可能:或者N有另外的素数真因子,或者N本身就是一个素数,但是显然有N>ai(i=1,2……n).无论是哪种情况,都将和假设矛盾。这个矛盾就完成了我们的证明,所以确实有无穷多个素数!
这个证明简短而又有力,充分体现了证明者的智慧和反证法的特点!
反证法的应用
类型一.用反证法证明否定性命题
例1 设a,b,c,d∈R,且ad-bc=1,求证:a2+b2+c2+d2+ab+cd≠1
证明:假设a2+b2+c2+d2+ab+cd=1,由于ad-bc=1
所以a2+b2+c2+d2+ab+cd=ad-bc
即a2+b2+c2+d2+ab-cd+bc=0
(a+b)2+(c+d)2+(a-b)2+(b+c)2=0
所以a=b=c=d=0,这与已知条件ad-bc=1矛盾,
故假设不成立,所以a2+b2+c2+d2+ab+cd≠1
类型二.用反证法证明“至少”、“至多”等存在性问题
例2 若a,b,c均为实数,且a=x2-2y+■,b=y2-2z+■,c=z2-2x+■
求证:a,b,c中至少有一个大于0
证明:假设a,b,c都不大于0,即a≤0,b≤0,c≤0,则a+b+c≤0
而a+b+c=(x2-2y+■)+(y2-2z+■)+(z2-2x+■)
=(x-1)2+(y-1)2+(z-1)2+π-3>0
这与a+b+c≤0矛盾,因此abc中至少有一个大于0
类型三.用反证法证明唯一性问题
例3 用反证法证明:过已知直线a外一点A只有一条直线b与已知直线a平行
证明:假设过点A还有一条直线c与已知直线a平行.由于a∥b,c∥a,所以b∥c,这与b∩c=A矛盾,所以假设错误,故原命题成立.
类型四.用反证法证明直接证明有困难的问题
例4 证明:■是无理数
证明:假设■不是无理数,那么它就是有理数.于是,存在互质的正整数m,n,使得■=■(任意一个有理数都可以写成形如■(m,n互质,m∈Z,n∈N ))
从而m■n,因此m2=2n2,所以m为偶数.于是可设m=2k(k∈N) ,从而有4k2=2n2,即n2=2k2,所以n也为偶数.这与m,n互质矛盾!
由上述矛盾可知假设错误,从而■是无理数。
注解:(1)反证法证明的第一步是否定结论
常见数学用语的正面叙述及其否定形式
(2)如何推理论证,找出矛盾
所谓“推理论证”是指由假设结合所学知识进行分析、推理和论证;
“导出矛盾”是指和已知条件矛盾,或与假设矛盾,或与定义、定理、公理、事实矛盾等;
(3)反证法适用的题型:
1.否定性问题;
2.存在唯一性问题;
3.“至多”或“至少”问题;
4.结论的反面比原结论更具体,更容易研究和掌握的题目;
5.原命题直接证明有困难时;
练习:(1)已知三个正数a,b,c成等比数列,但不成等差数列,
求证■,■,■不成等差数列
(2)已知x>0,y>0,且x+y>2求证:■,■至少有一个小于2
(3)过平面α内的一点A作直线a,使得aα,求证:直线a是唯一的反证法常常是解决某些问题“疑难”问题的有力工具.英国近代数学家哈代(Hardy,1877-1947)增经这样称赞它:“…归谬法(反证法)是数学家最有力的一件武器,比起象棋开局时牺牲一字以取得优势的让棋法,它还要高明.象棋的对弈者不外乎牺牲一卒或顶多一子,数学家索性把全局拱手让予对方!”