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高中数学思想方法:了解反证法及数的分类!

时间:2023-08-08 理论教育 版权反馈
【摘要】:除了整数和整数比(即分数)外,世上还有别的数吗?

高中数学思想方法:了解反证法及数的分类!

比萨斜塔

看到右面图片中的比萨斜塔,我们不能不想起伽利略的自由落体实验.古希腊科学家亚里士多德指出:物体下落的快慢是由物体本身的重量决定的.物体越重,下落得越快;反之,则下落得越慢.亚里士多德的理论影响持续了2000多年.1638年,伽利略在《两种新科学的对话》中写道:

“可以找来两个大小不同的铁球,让它们自由降落,如果亚里士多德是正确的,则大的下落速度快于小的下落速度.”

当两个铁球被绑在一起的时候,下落快的会因为慢的而被拖慢.所以整个体系的下落速度应该介于大球和小球之间.但是,两块绑在一起的铁球整体更重,下落速度也就应该大于原来两个铁球的速度.这就陷入了一个自相矛盾的境界.伽利略由此断言,亚里士多德的理论是错误的,物体下降速度与它的重量无关.

1589年的一天,比萨大学青年数学讲师、年方25岁的伽利略,同他的辩论对手及许多人一道来到比萨斜塔.伽利略登上塔顶,将一个重100磅(1磅=0.4536千克)和一个重1磅的铁球同时抛下.在众目睽睽之下,两个铁球出人意料地同时砸到地面上.面对这个无情的实验,在场观看的人个个目瞪口呆、不知所措.“比萨斜塔试验”成为广为流传的美谈佳话.

伽利略不是第一个质疑亚里士多德的人,但他是第一个对质疑给出合理解释的人.他的逻辑推理其实就是我们本节课要讲的反证法,伽利略的高明之处就在于他既有数学的推理,又有实际的实验.

无独有偶,大数学家毕达哥拉斯,大家一定都很熟悉,而他的弟子希帕索斯——发现无理数的第一人却鲜有人知.毕达哥拉斯学派认为数是最崇高、最神秘的,数学是上帝的杰作.他们所讲的数指的是整数.“数即万物”,也就是说,宇宙间各种关系都可以用整数或整数之比来表达.但是,希帕索斯发现,边长为1的正方形,它的对角线(用表示)却不能用整数之比来表达.

根号2殉难的希帕索斯

希帕索斯证明了这个数字无法表示为两个整数之比.(www.xing528.com)

假设该数为,假设q,p是最简分数,即q,p互素(没有大于1的公约数).

根据勾股定理,即2p2=q2.从这个算式可以看出,q2是偶数,那么q也是偶数,则q=2b(b是自然数),代入2p2=q2中,得p2=2b2.所以,p2是偶数,p也一定是偶数,这与q,p互素矛盾.于是,不能表示成两个整数之比.

这到底是什么数呢?除了整数和整数比(即分数)外,世上还有别的数吗?带着疑问,希帕索斯找到了他的老师毕达哥拉斯.谁知,看到推翻了“万物皆数”的观点后,毕达哥拉斯非常恼怒和惊慌,担心学生的发现会动摇学派的根基,于是便将希帕索斯囚禁起来,最终残忍地将他沉入大海.这是数学史上的一个悲剧.到目前为止,希帕索斯成了有史以来为科学献身的第一人,也是有史以来第一个使用反证法的人.

证明某个命题时,先假设其结论不成立,然后从这个假设出发,结合其他条件,推出与已知事实相矛盾的结果,从而反过来肯定原命题成立.这种证题方法叫作反证法.其实,反证法就是将原命题的研究转化成了其逆否命题的研究.

如果结论的反面只有一种情况,则只需研究一种情况;如果结论的反面不止一种情况,则要对每一种情况逐个研究.对至多至少型问题的否定一定要多加注意并多多练习.一般来说,否定结论后,问题的内涵应该比较单一、清晰了;如果反设的情况较多但是比较容易研究,也可以考虑反证法.

推出矛盾是反证法的核心目标,作出反设后,要从反设出发,结合题目其他条件以及相应的数学常识,向导出矛盾的方向发展.这里所说的矛盾可以是与已知公理、定理、定义、题设、数学常识矛盾,也可以是自相矛盾.

一般来说,反证法适用的命题类型有以下几类.

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