Доказательство от противного является. Что такое метод доказательства «от противного»
Доказательство от противного – мощный и часто используемый в математике метод. Предположив, что некоторый факт (объект) является истинным (существует), и придя к противоречию, мы заключаем, что факт ложен (объект не существует). Рассмотрим несколько примеров.
Теорема Евклида о бесконечности простых чисел является классическим и самым простым рассуждением от противного:
Не существует самого большого простого числа .
: Пусть это не так, и самое большое простое число существует. Построим число . Оно не делится ни на одно , и больше чем . Мы пришли к противоречию, следовательно, самого большого простого числа (как объекта!) не существует и простых чисел бесконечно много.
Заметим, что не обязательно простое, так как его простой множитель может находится между и , но всё равно будет большим .
Теорема об иррациональностиНе существует натуральных и , таких, что
.
: Пусть это не так. Сократим общие множители у , , и возведём всё в квадрат: . Отсюда следует, что является чётным числом, поэтому тоже чётно и представимо при помощи некоторого натурального , как . Подставляя в исходное соотношение, получаем , а, следовательно, и чётно. Но это противоречит тому, что мы сократили все общие множители, а значит таких и не существует.
Психологическая убедительность обоих доказательств не вызывает сомнений. Тем не менее, необходимо помнить, что получив противоречие, мы не всегда доказываем то, что хотим доказать. Противоречие не обязательно свидетельствует об ошибочности исходной посылки. Его может дать любое из утверждений использовавшихся при доказательстве. Особенно их много в теореме об иррациональности . Однако, они на столько "очевидны", что мы считаем ошибочной именно исходную посылку.
Видно, что схема доказательства приведенных теорем одинаковая. Мы показываем, что некоторый объект не существует, если предположение о его существовании приводит к противоречию.
Проблема Брадобрея . В некоторой деревне все мужчины бреются либо сами, либо у брадобрея. Брадобрей (мужчина) бреет только тех, кто сам не бреется. Сформулируем теорему:
Брадобрей бреет себя сам.
Пусть это не так, и брадобрей себя не бреет. Тогда он должен бриться у брадобрея. Значит брадобрей бреет себя.
Сделав отрицание теоремы, и получив противоречие, мы должны прийти к выводу, что теорема верна. Но совершенно ясно, что это не так, и мы можем построить не только обратное доказательство, но и прямое: "если брадобрей бреется сам, то он не может бриться у брадобрея...". В этом случае вновь получается противоречие.
Приведенное описание деревни со строгими правилами принадлежит Бертрану Расселу, как популярная формулировка проблем, возникающих в попытке определить "множество всех тех множеств, которые не содержат себя в качестве своего элемента". Мы умышленно явный парадокс представили в виде теоремы, чтобы продемонстрировать простой факт:
Получение противоречия в доказательстве от противного может свидетельствовать не об истинности теоремы, а о противоречивости объектов которые участвуют в её формулировке.Другими словами, нельзя сказать: "возьмём множество всех множеств..." и докажем "теорему о том, что..." Сначала необходимо убедиться, что объект, о котором будет идти речь в теореме, существует. В частности, деревня, описанная Расселом, существовать не может. Конечно, возникает вопрос – "а что значит существовать или не существовать, и где не существовать?" Есть объект, определённый выше, и мы можем использовать его при построении новых объектов и теорем о них...
Дело в том, что математическое рассуждение явно или не явно исходит из некоторых аксиом. Именно аксиомы задают свойства объекта. Если в фиксированной системе аксиом поменять хотя бы одну аксиому, может получиться объект с совершенно другими свойствами. Понятно, что произвольно задавать аксиомы нельзя. Они не должны быть противоречивыми , иначе никакого объекта определять не будут. Или, другими словами, – объект определяемый при помощи противоречивых аксиом не существует.
Подробнее мы обсудим элементы формальных аксиоматических систем в следующем разделе, где снова проанализируем проблему брадобрея. Сейчас же рассмотрим ещё одну версию того же парадокса.
Проблема Библиотекаря . Существует Библиотека с книгами. Любая книга внутри своего текста может упомянуть сама себя (например, в списке литературы привести свое название). Соответственно все книги можно разделить на две группы. В первую попадают книги, которые на себя не ссылаются, а во вторую – ссылающиеся на себя книги. Кроме этого, существуют две книги, являющиеся каталогами всех книг Библиотеки. Первый каталог перечисляет все те книги, которые на себя не ссылаются, а второй, наоборот – все ссылающиеся на себя книги:
Сформулируем теперь теорему:
Первый каталог содержитв списке книг себя.
Пусть это не так. Тогда первый каталог содержится во втором (все книги перечислены в обоих каталогах и каталог есть книга). Но во втором каталоге перечисляются только самоссылающиеся книги, и первого каталога там быть не может. Мы пришли к противоречию, следовательно теорема верна.
Если мы остановимся на этом этапе, то получим заведомо неверный вывод. Понятно, что первый каталог на себя ссылаться не может (он является каталогом не самоссылающихся книг). Как и в случае с брадобреем, мы можем провести как обратное доказательство (от противного), так и прямое. И оба раза получить противоречие.
О чём оно говорит? Понятно, что не об истинности или ложности теоремы. Веря в то, что два различных доказательства должны всегда приводить к одному и тому же, мы вынуждены сделать вывод: объект Библиотека , c заданными свойствами, существовать не может .
Любая ссылка на "естественность" или "видимую не противоречивость" исходных определений не достойна математика, так как это уже эмоции. Единственный путь – попытаться уйти от психологических формулировок и доказательств к формальным.
Парадокс лжеца . Вся математика состоит из логических утверждений. При этом логика математики бинарна. Утверждение "" или истинно или ложно. Третьего не дано. Именно эта бинарность придаёт математическому доказательству ту чудесную убедительность, ради которой всё и затевалось. Введем обозначение того, что некое логическое утверждение является истинным:
.На самом деле обозначение излишне, так как записывая в качестве аксиомы или посылки некоторое утверждение , мы предполагаем его истинность. Однако, такое обозначение будет удобно для дальнейшего. Определим высказывание:
где "" – знак логического отрицания, а после двоеточия идёт определение утверждения . Оно является вариантом парадокса лжеца: " – истинно, если не истинно ". Сформулируем следующую теорему:Утверждение L является истинным: L=И.пусть L=Л => True(L)=Л => L=True(L)=И.
(Далее "" означает логический вывод; "И" – истина, "Л" – ложь). В доказательстве от противного, мы пришли к противоречию. Поэтому исходная посылка не верна и, следовательно, теорема верна. Однако понятно, что это не так. Мы можем провести доказательство и в прямом направлении.
Теорема – это утверждение, справедливость которого устанавливается путем рассуждения. Само рассуждение называется доказательством теоремы.
Теорема обратная данной – это теорема, в которой условием является заключение данной теоремы, а заключением – ее условие. Например: Теорема : В равнобедренном треугольнике углы при основании равны. Обратная теорема : Если в треугольнике два угла равны, то он является равнобедренным.
Следствие – это утверждение, которое выводится непосредственно из теоремы. Например: следствием из теоремы о высоте равнобедренного треугольника является: Медиана равнобедренного треугольника, проведенная к основанию, является высотой и биссектрисой.
Доказательство методом от противного заключается в следующем:
1) Делается предположение противоположное тому, что надо доказать.
2) Затем, исходя из предположения, путем рассуждений приходят к противоречию либо с условием, либо с известным фактом.
3) На основании полученного противоречия делается вывод о том, что предположение неверно, а значит верно то, что требовалось доказать.
Признак равенства прямоугольных треугольников по гипотенузе и катету.
Если гипотенуза и катет одного прямоугольного треугольника соответственно равны гипотенузе и катету другого прямоугольного треугольника, то такие треугольники равны .
Дано :
DАВС – пр/уг
ВС=В 1 С 1
Доказать :
DАВС = DА 1 В 1 С 1
Доказательство :
1. Приложим к DАВС к DА 1 В 1 С 1 , так чтобы вершина А совместилась с вершиной А 1 , вершина В с вершиной В 1 , а вершины С и С 1 оказались по разные стороны от прямой АВ.
2. Так как АВ= А 1 В 1 Þ они совпадут.
3. ÐСА 1 С 1 = 90 0 + 90 0 = 180 0 ÞÐСА 1 С 1 – развернутый и Þточки С, А 1 и С 1 – лежат на одной прямой.
4. Рассмотрим DСВС 1 – р/б (ВС= В 1 С 1 по условию)Þ ÐС = ÐС 1 (по свойству)
5. Таким образом, DАВС = DА 1 В 1 С 1 – по гипотенузе и острому углу. (ч.т.д.)
Билет №9.
Перпендикулярные прямые. Перпендикуляр к прямой.
Перпендикулярные прямые – это две прямые, которые при пересечении образуют четыре прямых угла.(показать на рисунке)
Перпендикуляр к прямой – это отрезок, опущенный из точки на прямую под прямым углом. Точка пересечения отрезка и прямой называется основанием перпендикуляра (показать на рисунке)
Теоремы :
1)Из точки, не лежащей на прямой, можно провести перпендикуляр к этой прямой и притом только один.
2)Две прямые перпендикулярные к одной и той же прямой не пересекаются.
Признак равнобедренного треугольника.
Если в треугольнике два угла равны, то он является равнобедренным.
Дано :
ÐА = ∠С
Доказать :
DАВС – р/б
Доказательство:
1. Мысленно скопируем DАВС и перевернем копию – получим DСВА.
2. Наложим DСВА на DАВС, так чтобы вершина С копии совместилась с вершиной А DАВС.
3. Так как ÐА = ÐС (по условию) Þ ÐА копии и ÐС треугольника при наложении совпадут, так же ÐС копии и ÐА треугольника при наложении совпадут.
4. Отрезок СВ копии наложится на луч АВ треугольника и отрезок АВ копии наложится на луч СВ треугольника.
5. Так как две прямые могут иметь только одну общую точку пересечения ⇒
т. В 1 совпадет с точкой В и ⇒ АВ совместится с СВ ⇒ АВ=СВ
6. Из того, что АВ=СВ ⇒ по определению ΔАВС - равнобедренный(ч.т.д.)
Билет №10.
Равнобедренный треугольник.
Треугольник , у которого две стороны равны, называется равнобедренным. Равные стороны называются боковыми сторонами , а третья сторона – основанием . (показать на рисунке)
Свойство равнобедренного треугольника: В равнобедренном треугольнике углы при основании равны.(показать на рисунке)
Признак равнобедренного треугольника : Если в треугольнике два угла равны, то он является равнобедренным. (показать на рисунке)
Теорема о высоте равнобедренного треугольника : Высота равнобедренного треугольника, проведенная к основанию, является медианой и биссектрисой. (показать на рисунке)
Следствия из теоремы о высоте равнобедренного треугольника :
1) Медиана равнобедренного треугольника, проведенная к основанию, является высотой и биссектрисой. (показать на рисунке)
2) Биссектриса равнобедренного треугольника, проведенная к основанию, является высотой и медианой. (показать на рисунке)
МЕТОД ОТ ПРОТИВНОГО (далее МОП) - научно-прикладной метод, названный по имени выдающегося украинского просветителя, основателя целого ряда научных школ и направлений Василия Козьмича Противного. В.К.Противный родился 29 февраля 1513 г по старому стилю в селе Нижние Лопухи близ Чернигова. Вася с детства был слабым и хлипким мальчиком и постоянно, начиная с детского сада, подвергался насмешкам сверстников, что в дальнейшем предопределило его скверный характер.
В дальнейшем слова "делать все назло окружающим" фактически стали девизом жизни В.К.Противного. Так, назло всем он покинул родные Холмогоры и поступил в МГУ им. Ломоносова (а не в суворовское училище, как хотел его отец), назло всем никогда ни на ком не женился (хотя его бабушка Василиса Противная нашла ему за всю жизнь как минимум 14 невест), назло всем, сославшись на грибной сезон, не стал получать медаль Филдса - высшую награду в области математики.
Суть метода от Противного можно передать следующими пунктами:
1. Делается неверное предположение.
2. Выясняется, что следует из этого предположения на основании известных знаний.
3. Осуществляется заход в тупик.
4. Делается верный вывод о том, что неверное предположение неверно.
Многие ученые, философы, исследователи и даже деятели искусств стали ярыми приверженцами идей украинского просветителя. Например, так впервые в медицинской практике была использована лоботомия, когда была сделана попытка разрешить извечный философский спор о первичности материи или сознания с помощью медицинского эксперимента. Так ученик В.К.Противного Лобачевский создал неевклидову геометрию, так его почитатель Чайковский написал гимн альтернативной любви - вальс "Голубой Дунай", и так далее.
Метод от Противного часто применяется в настоящее время в самых разных областях человеческой жизни. Например, для воспитания художественного вкуса москвичей им с успехом пользуется московский мэр Лужков, устанавливая в городе скульптуры Церетели. Руководство ГУВД, пользуясь этим методом, решило найти убийц известной журналистки Политковской, так как другие методы в виду особой сложности дела результатов не дают. Вооруженные МОП московские милиционеры знают - последовательно выявив всех непричастных, они автоматически выйдут на след убийц.
Вся жизнь и даже смерть В.К.Противного явилась яркой иллюстрацией его метода. Ученый трагически ушел из жизни 29 февраля 1613 г в возрасте 112 лет, повесившись назло своей бабушке Василисе Противной, не давшей Василию Козьмичу попробовать варенье из холодильника. Несмотря на двоякое отношение к В.К.Противному из-за его скверного характера, большинство ученых и исследователей все-таки считают МОП одним из наиболее мощных орудий современной науки в целом и математики в частности.
____________________________________
Василий Козьмич Противный, выдающийся украинский просветитель (1513 - 1613)
Выражаю благодарность
Урок можно начать с рассказа учителя.
Ващенко Н.М., на уроке
В Древней Греции всех ораторов учили геометрии. На дверях школы было написано: «Не знающий геометрии, да не войдет сюда». Почему? Да потому, что геометрия учит доказывать. А речь человека убедительна только тогда, когда он доказывает свои выводы. В своих рассуждениях люди часто пользуются способом доказательства, который называется "от противного".
Приведем примеры таких доказательств.
Пример 1. Разведчики получили задание: выяснить, находится ли в данном селе танковая колонна противника. Командир разведки докладывает: если бы в селе была танковая колонна, го тогда бы были следы гусениц, а их мы не обнаружили.
Схема рассуждений. Требуется доказать: нет колонны. Предположим, есть колонна. Тогда должны быть следы. Противоречие - следов нет. Вывод: предположение неверно, значит, танковой колонны нет.
Пример 2. Врач после осмотра больного ребенка говорит:
«У ребенка нет кори. Если бы у него была корь, то тогда была бы сыпь на теле, но сыпи нет».
Рассуждения врача тоже выполнялись по указанной выше схеме.
Задается вопрос: «В чем же сущность способа доказательства от противного?»- и вывешивается таблица (табл. 5).
Способом от противного можно решить уже известные до этого задачи.
1. Дано: а||b, прямые с и а пересекаются. Докажите: прямые с и b пересекаются.
Доказательство.
1) Предположим, что b||с.
2) Тогда получается, что через точку О (точка пересечения прямых а и с) проходят две различные прямые а и b, которые параллельны прямой b.
3) Это противоречит аксиоме параллельных прямых.
Вывод : значит, наше предположение неверно, а верно то, что и требовалось доказать, т. е. что прямые бис пересекаются.
2. Дано: A, В, С - точки прямой а, АВ = 5 см, АС = 2 см, ВС = 7 см. Докажите:
Доказательство.
1) Предположим, что точка С лежит между точками А и В.
2) Тогда по аксиоме измерения отрезков АВ = АС + СВА
3) Это противоречит условию: АВ = АС + СВ, так как АВ = 5 см, АС+ С5 = 9 см.
Вывод: точка С не лежит между точками А и В.
3. Дано: АВ - полупрямая, С АВ, АС < АВ. Докажите:
Доказательство.
1) Предположим, что точка В лежит между точками А и С.
2) Тогда по аксиоме измерения отрезков АВ + ВС = АС, т. е. AB 3) Это противоречит условию задачи: АС<АВ. Вывод:
точка В не лежит между точками А и С. Решение задач оформляется в тетрадях. Для усвоения учащимися сущности способа доказательства от противного, а также с целью экономии времени при решении задач можно использовать карточки-подсказки, которые сделаны из плотной бумаги и вставлены в полиэтиленовые мешочки. Ученик должен на полиэтиленовой пленке заполнить пропущенные места. Записи на пленке легко стираются, и поэтому карточки можно использовать неоднократно. Карточка имеет вид:
Предположим противоположное тому, что требуется доказать, т.е. Из предположения следует, что (на основании …… Получаем противоречие с. Значит, наше предположение неверно, а верно то, что требовалось доказать, т.е. Задание на дом:
п. «Доказательство от противного» § 2 до слов: «Поясним это...». 1. Докажите, что если MN = 8 м, МК = 5 м, NK- 10 м, то точки М, N и К не лежат на одной прямой. 2. Докажите, что если <(ab) = 100°, <(be) - 120°, то луч с не проходит между сторонами угла (ab). 3. Докажите теорему 1.1 способом от противного. Доказательство «от противного» (по-латински "reductio ad absurdum") характеризуется тем, что сам процесс доказательства какого-либо мнения осуществляется путем опровержения противоположного суждения. Ложность антитезиса можно доказать, установив тот факт, что он несовместим с истинным суждением. Обычно такой метод наглядно демонстрируется с помощью формулы, где А – антитезис, а В – истина. Если при решении получается, что наличие переменной А приводит к результатам отличным от В, то доказывается ложность А. Существует и более легкая доказательства ложности «противного» - антитезиса. Такая формула-правило гласит: «Если при решении с переменной А в формуле возникло противоречие, А – ложно». При этом не имеет значения, является ли антитезис отрицательным или утвердительным суждением. К тому же более простой способ доказательства от противного содержит в себе только два факта: тезис и антитезис, истина В не используется. В это значительно упрощает процесс доказательства. В процессе доказательства от противного (которое еще называется «приведением к нелепости») часто используется апагогия. Это логический прием, цель которого доказать неверность какого-либо суждения так, чтобы непосредственно в нем или в вытекающих из него следствиях было выявлено противоречие. Противоречие может выражаться в тождестве заведомо различных предметов или в качестве выводов: конъюнкция или пары В и не В (истина и не истина). Прием доказательства «от противного» часто используется . Во многих случаях доказать неверность суждения другим способом не представляется возможным. Кроме апагогии существует и парадоксальная форма доказательства от противного. Такая форма применялась еще в «Началах» Евклида и представляет собой следующее правило: А считается доказанным, если получается продемонстрировать и «истинность ложности» А. Таким образом, процесс доказательства от противного (оно же зовется косвенным и апогогическим доказательством) выглядит следующим образом. Выдвигается мнение, противоположное , из этого антитезиса выводятся следствия, среди которых ищется ложное. Находят доказательства того, что среди следствий действительно имеется ложное. Из этого делается вывод, что антитезис неверен, а раз неверен антитезис, следует логичный вывод, что истина содержится именно в тезисе.Доказательство «от противного» без использования истины
Апагогия
