朴实平凡的反证法

有人认为反证法“高不可攀”,可我们认为反证法朴实平凡.有人认为反证法是被“逼”出来的不得已而为之的“权宜之计”,可我们认为反证法是主动出击和思维训练的“强大武器”.

一、 蕴含深刻道理的故事

古代某国有一个非常特殊的规定:用抓阄的方式给予将要被处决的死囚一个生存的机会.在两张纸条上分别写有“生”和“死”,让死囚来抓.若运气好,抓着“生”,则立即释放;反之,若抓着“死”,则斩立决.一次,死囚甲的一个仇人买通了有关人员,在两张纸条上都写了“死”字,看来甲死定了.有好心人探得内情后,告知了甲,让他自己想出对付的办法.那天在抓阄时,甲抓到纸条后,连一眼都没看,就将它吞到嘴里咽到肚里去了.执行官慌了,甲到底抓的是什么字呢?有位聪明人提议说:“好办,只要看剩下的那张纸条写的是什么字,就可以判断甲抓的是什么字.”执行官打开剩下的纸条一看,分明写的是“死”字,于是判断甲抓到的是“生”字,甲获释.

这个有趣的故事蕴含着深刻的与反证法有关联的道理.两个字,一“生”一“死”互为否定,既然否定了“死”,当然就肯定了“生”.这又使我们想到另一则故事.

美国著名讽刺幽默作家马克・吐温一天走在一条不太宽阔的小道上,迎面遇到一名蛮不讲理的歹徒,歹徒不给他让路,且说:“我就是不给无赖让路.”马克・吐温微笑道:“我和你正相反,请过去!”侧身给歹徒让出了路.马克・吐温用智慧嘲弄了歹徒,对歹徒“不给无赖让路”的否定正是“给无赖让路”,言下之意歹徒就是无赖了.

“生”与“死”互为否定,“不给无赖让路”与“给无赖让路”也互为否定,这里互为否定的事项只有两个,但有时有关事项会不止两个,情况就一定变得更加复杂了吗?并不尽然.

某人身上有五把钥匙,忘了是哪一把能开启自家的门锁,无须多少数学知识,此人也知道一把一把地试,最多也只须试四次,就可将门锁打开.若前四次都失败了,即否定了四把钥匙,则第五把钥匙一定开启成功.这里须有一个前提,五把钥匙中有且只有一把是能打开门锁.

二、 从一首古诗谈反证法

中国宋朝著名文学家、诗人苏轼有一首《琴诗》:

若言琴上有琴声,放在匣中何不鸣?若言声在指头上,何不于君指上听?

琴弦与指头相碰撞,才可发出和谐悦耳的琴声.假设没有指头的参与,单个的琴也发出琴声,这与事实“放在匣中不鸣”产生了矛盾,则否定了“琴上有琴声”,从而肯定了“琴上无琴声”.对“声在指头上”的否定道理相同.

苏轼老先生当然不懂得数学中的反证法,但在他的脑海中却含有运用反证法的朴素的思维因素.

三、 从数学的角度看反证法的实质

说来道去,还是要回到数学中来.深刻理解反证法的数学实质是熟练驾驭反证法的条件.

设要证的命题是:“若p,则q”.用反证法证明的步骤则是:假设q不成立,即设

(q的否定),

再用严格的逻辑推理链条由

推出矛盾,从而确认q的正确性.

在实施反证法的过程中要注意的是:

(1) 要明确地指出与“谁”矛盾,即矛盾的对象是谁.有四种可能:“与已知矛盾”,或“与某定理矛盾”,或“与某公理矛盾”,或“自相矛盾”,要有明确的矛盾实体,不能含含糊糊地说“矛盾”.

(2) 要准确地列出“

”的全部内容,要分清q是简单命题,还是复合命题,举例列表如下:

q

a≥ba<b

a≠ba>b,或a<b

a, b都是偶数a, b中至少有一个不是偶数

a∈A,或a∈Ba∈A,且aB

集合A中最多有3元素集合A中最少有4个元素

两个方程至少有一个有实根两个方程都没有实根

(3) 反证法有时可以与同一法相互沟通和转化,在立体几何中经常出现这种情况,如证明“唯一性”时,若说“……则两个元素重合,所以……”用的就是同一法;若说“则与某公理矛盾,所以……”,用的就是反证法.从这个意义上讲,两者之间没有根本的区别.具体例子见下文.

四、 到底何时用反证法

这是很难用一句话来回答的问题.如果题目中指定用反证法,当然没有异议;如果题目中没有指定用什么方法来证明,就“玄而又玄”了.“如果用直接证法感到困难时,就考虑用反证法”,这种说法虽有一定的道理,但还是难以令人满意.故特提出如下几点参考意见:

(1) 头脑中要有“正难则反”的意识,让“反证法”时刻活跃于心头,一旦遇到适宜于用反证法的情境,就会在瞬间自然而然地作出决断,用反证法来证明;

(2) 当q的涵盖面较宽,而

的涵盖面较窄时,则从

出发用反证法证明可化繁为简;

(3) 总结用反证法证明的常见问题类型,积累这方面的数学经验.

总之,用反证法决不是被逼出来的“权宜之计”.

五、 反证法绚丽多姿的形态

经高度概括,可将反证法浓缩为:“欲证pq,假设

,由

矛盾,则判断p正确.”这个模式是恒久不变的,可用六个汉字来表述:“反设,矛盾,获证”.在具体问题中的实施却又有绚丽多姿的各种形态.我们的对策就是“以不变应万变”.

例1 求证:n(n≥3)边形的所有内角中,锐角的个数不超过3个.

解析

反设,对“锐角不超过3个”的否定为“锐角至少为4个”.

矛盾,此时这4个锐角的补角的和大于360°,而n边形的所有外角的和仅为360°,两者矛盾.

获证,原结论正确,即锐角的个数不超过3个.

点睛巧妙利用4个补角的和大于360°引出矛盾.

例2 求证:若2(b+d)=ac(a, b, c∈R),则关于x的两个方程x2+ax+b=0①

与x2+cx+d=0②

中,至少有一个方程有实根.

解析

“至少有一个方程有实根”的否定是“两个方程都没有实根”,那么由此推得两个方程的根的判别式都小于零,即

a2-4b<0,c2-4d<0,则a2<4b,c2<4d, a2+c2<4b+4d=4(b+d)=2ac,这与

a2+c2≥2ac矛盾,所以原题结论成立,即两个方程中至少有一个方程有实根.

点睛开始时看不出反设与谁矛盾,但推着推着,当得到a2+c2<2ac时,呵呵,矛盾的对象浮出水面了,原来与基本不等式a2+c2≥2ac矛盾.此题若不用反证法,则须分三种情况进行证明:(1)方程①有实根,方程②没有实根;(2)方程②有实根,方程①没有实根;(3)两个方程都有实根.难度与工作量都比较大.

例3 三个互不相等的正数构成等差数列,求证:这三个数的算术平方根不可能构成等比数列.

解析

设三个互不相等的正数为a, b, c,则得a+c=2b.①

假设它们的算术平方根,即a, b, c构成等比数列,则ac=b, ac=b2.②

①式平方,将②式代入,得(a-c)2=0,故a=c,这与题设矛盾,所以结论成立.

点睛结论是“不可能”,反证法的“味道”十足啊!

例4 定义在R上的函数f(x)满足条件:①对于任意两个不相等的实数x1, x2都有f(x1)≠f(x2);②对于任意的实数x, y,都有f(x+y)=f(x)・f(y).

证明:(1) f(0)=1;

(2) 对于任意实数x,都有f(x)>0.

解析

(1) 略;

(2) 令y=x,得f(2x)=[f(x)]2,则对于任意实数x,都有f(2x)≥0,则有f(x)≥0.

下面用反证法证明:对于任意实数x,都有f(x)≠0.

假设存在实数x0使f(x0)=0.

若x0=0,则由(1)知f(x0)=1≠0;

若x0≠0,那么2x0≠x0,但由f(2x)=[f(x)]2,得f(2x0)=[f(x0)]2=0,这与已知“对于任意两个不相等的实数x1、 x2都有f(x1)≠f(x2)”矛盾,故对于任意实数x,都有f(x)≠0.

综上知对于任意实数x,都有f(x)>0.

点睛此题的特色十分鲜明,先证得“对于任意实数x,都有f(x)≥0”,再证明“对于任意实数x,都有f(x)≠0”,用反证法呀,富有启迪意义!

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