数学中的推理和证明.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,西华师范大学数学与信息学院,杨孝斌,数学中的推理和证明,一、数学中的推理,1.,推理的意义和结构,从一个或几个已知的命题得到一个新命题的思维形式叫做推理,.,其中，已知的命题叫做前提（或条件），得到的新命题叫做结论,.,在形式逻辑中，常把一个推理形式表示为：,或,“前提结论”,例如：,所有的矩形对角线相等,黑人是黑头发,都是由两个前提得到一个结论的推理,.,如果舍弃了前提与结论中的命题的具体内容，仅保留其逻辑结构，便得到抽象的推理形式,.,以上两例的推理形式分别是：,由三段论知识可知，第一个推理形式是正确的，第二个推理形式是错误的,.,一个正确的推理，必须是推理的前提真实、推理的形式有效,.,如：,因为,负数大于,0,，,-5,是负数，,所以,-5,大于,0.,因为,整数是有理数，分数是有理数，,所以,整数是分数,.,前提不真实,推理的形式错误,所以，它们都不是正确的推理.,2.,推理的规则,凡是正确的推理形式，就是推理规则,.,规则,1,：若,p,q,真，则,p,真；若,p,q,真，则,q,真,.,即：（,p,q,）,p;,（,p,q,）,q.,规则,2,：若,p,q,真，且,p,真，则,q,真,.,即：（,p,q,）,p,q.,规则,3,：若,p,q,真，且,p,真，则,q,真,.,即：（,p,q,）,p,q.,规则,4,：若,p,q,真，且,p,真，则,q,真,.,即：（,p,q,）,p,q.,同样有：（,p,q,）,q,p,.,规则,5,：若,p,q,真，且,qr,真，则,p,r,真,.,即：（,p,q,）（,qr,）（,p,r,）,.,规则,6,：若集合,A,中的每一个元素,x,都具有属性,F,，则集合,A,的任一非空子集,B,中的每一个元素,y,，也具有属性,F.,即：,这条规则是逻辑上的一条演绎推理规则，是作为公理提出来的，它保证了由全称命题为真可以推出相应的特称命题为真,.,二,.,推理的种类,1.,演绎推理,演绎推理，又称演绎法，又称为论证推理，它是思维进程中从一般到特殊的推理,.,演绎推理主要有三段论、关系推理、联言推理、选言推理、假言推理和模态推理等推理模式,.,一般,特殊,何为三段论？,由两个前提推出一个结论的演绎推理叫做三段论,.,例,1.,任何一个自然数都大于或等于零，,是自然数,.,所以，,.,例,2.,如果两个角是对顶角，那么这两个角相等，,是对顶角，,所以，,.,总结：,大前提 小前提 结论,根据前提中命题的不同形式又可以将三段论分为直言三段论和假言三段论,.,当三段论的两个命题都是直言命题时，这种三段论称为直言三段论,.,当三段论的前提中包含假言命题时，这种三段论称为假言三段论,.,直言命题是断定思维对象具有或不具有某种性质的命题；,假言命题是有条件地断定事物的某种情况存在的命题，在数学上假言命题一般用“如果,，那么,”,或者“当且仅当,，则,”,这两种形式来表达,.,一个数学上的证明是论证推理，呈现在我们面前的科学数学是一门以论证推理为特征的演绎科学,.,但是，这仅仅是科学数学的一个方面，科学数学所呈现的东西已经是科学数学建造过程的尾声，是数学家创造性工作结出的果实，而在整理成这些定型的逻辑论证材料之前，有着更为漫长的探索发现过程，这就是科学数学的另一个侧面,数学发现的方法之一：合情推理,.,合情推理一词来自于,Plausible reasoning,，又译为似真推理,.,波利亚说：数学家的创造性工作成果是论证推理，即证明；但是这个证明是通过合情推理、通过猜想而发现的。只要数学的学习过程稍能反映出数学发明过程的话，那么应当让猜测、合情推理占有适当的位置,.,因此，波利亚曾多次呼吁,让我们教猜想吧！,学习合情推理的意义,还数学的本来面目，把数学知识的学术形态的“冰冷的美丽”转化为数学知识的教育形态的“火热的思考”,.,数学中的合情推理主要有：归纳推理、类比推理、直觉、顿悟等,.,这里主要谈谈归纳推理与类比推理,.,2.,归纳推理,1,）定义,把某类事物中个别事物所具有的规律作为该类事物的普遍规律，这种思维进程中由特殊到一般的推理称为归纳推理或称归纳法,.,特殊,一般,我们借助于归纳推理可以从大量的个别事例中发现数学真理，引出新的数学命题,.,但此时的数学命题还只是一种猜想，它往往是冒风险的、有争议的和暂时成立的。要使它成为真正的普遍命题，还要借助于论证推理进行严格的证明,.,归纳推理的特点：,创造性较强而可靠性较弱,.,从具体问题或具体素材出发,实验和观察,经验归纳,（归纳推理）,推广,形成普遍命题,（猜想）,证明,归纳推理在数学创造活动中发现真理的一般过程：,(,反驳,),2,）,归纳推理成功的例子,物理学中的波义耳,马略特定理、化学中的门捷列夫元素周期表、数学中勾股定理等等都是运用归纳推理发现真理的典型例证,.,波义耳,马略特定理,:,温度不变时，一定,质量,的气体的,压强,跟它的,体积,成反比,.,该定律对,理想气体,才严格成立，但可近似反映实际气体的性质,.,例,1.,凸多面体的欧拉（,Euler,）公式的发现道路,.,（,P182-187,王子兴）,正多面体,顶点数,面数,棱数,正四面体,正六面体,正八面体,正十二面体,正二十面体,三棱锥,五棱柱,规律：,X(P)=F+V-E=2,称任一凸多面体的欧拉示性数等于,2.,验证：这些正多面体都满足这条规律吗？,问题：,证明正多面体只有五种,.,例,2.,杨辉三角形、牛顿（,Newton,）二项式定理的发现道路,.,（,P187-189,王子兴）,3,）,归纳推理失败的例子,例,3.,费马（,Fermat,）素数（,1664,年）的猜想,P193-194,王子兴）,4,）归纳推理结论未定的例子,例,4.,偶数哥德巴赫（,Goldbach,）猜想,奇数哥德巴赫猜想,（,N,是不小于,9,的奇数）,Vinogradov,1937,证明,偶数哥德巴赫猜想,（,N,是,不小于,6,的偶数）也即（,1+1,）,目前最好的结果是陈景润,1966,年的（,1+2,）,.,偶 数,哥德巴赫猜想,奇 数,哥德巴赫猜想,陈景润,1966,证明,（,1+2,）,例,5.,梅森猜想（,Mersenne,，又译为默森尼）（,P197-198,王子兴）,例,6.,柯召,孙琦猜想（,P199,王子兴）,5,）完全归纳推理和不完全归纳推理,（,1,）完全归纳推理：也称完全归纳法，是根据某类事物中每一对象或每一子类的情况，作出该类事物的一般性结论的推理,.,完全归纳推理的形式为：,或者,完全归纳推理的每一个前提如果都是真实的，那么其结论一定正确，所以它是一种严格的推理方法，在数学中可以作为严格的推理方法,.,（,2,）不完全归纳推理：也称不完全归纳法，是根据某类事物中的一部分对象的情况，作出关于该类事物的一般性结论的推理,.,不完全归纳推理的一般形式：,例如：费马素数猜想就是一个不完全归推理的例子,.,由于不完全归纳仅仅列举了归纳对象的一部分，因此前提和结论之间未必有必然的联系,.,其结论的真实性，还需要经过理论的证明和实践的检验,.,虽然不完全归纳法不能作为严格的数学推理方法，但在探索数学真理的过程中，,它能帮助我们迅速发现事物的特征、属性和规律,，为我们提供研究方向，提供猜想的基础和依据,.,同时，,不完全归纳法在数学教学和解题过程中也有着广泛的应用（先猜后证）,.,5,）归纳推理在问题解决中的作用和意义,用归纳推理发现问题的结论,两种形式：,由特殊事物直接猜测结论,根据规律先猜测一个结论的加强式（或一个递推关系），然后凭借结论的加强式（或递推关系）去发现结论,例,7.,（,1993,年全国高考题）（,P200,王子兴）,例,8.,一个不等式的证明,用归纳推理发现解决问题的途径,证明：先考虑特殊情形：,（）,（）,3.,类比推理,1),何为类比推理,类比推理是根据两个不同的对象的某些方面（如特征、属性、关系等）相同或相似，推出它们在其他方面也可能相同或相似的思维形式，它是思维进程中由特殊到特殊的推理,.,特殊,特殊,类比推理的一般性例子：,飞机的发明、潜水艇的设计思路、航海偏光天文罗盘的制造（仿蜜蜂的太阳偏光定向功能）、雷达的发明（仿蝙蝠等）,近代仿生学的成果,牛顿把天体运动与自由落体运动作类比发现了万有引力定律,数学上的类比,从一个故事说起：,从前有一个国王，暴虐任性。一次，他对一位大臣说：,“我吃的鸡蛋都是母鸡生的，现在想尝尝公鸡蛋的滋味，命令你三天内把公鸡蛋找来，我将重赏你；如果三天内找不到公鸡蛋，我就要在第四天的早晨处死你。”,大臣知道厄运将至，但又不敢公开违抗，只有悲伤地离开了朝廷。,三天过去了，大臣无法找到公鸡蛋。最后的一个夜晚，他显得异常烦躁。大臣的小儿子是一个很聪明的少年，看到爸爸如此焦急，知道一定是大祸临头了。便问道：,“爸爸有什么烦闷的事呢？”,“你小孩子家，我讲了又有什么用？”大臣有气无力地回答。,“不，爸爸！告诉我吧，或许我能为你分忧。”少年紧握爸爸的双手，使劲地摇晃着。,大臣深情地望着自己的孩子，终于说出了事情的原委。少年沉思了一会，劝爸爸不要着急，他有办法逢凶化吉。,第四天的一早，少年代替大臣上了朝。,“你爸爸怎么不来呢？”国王问道。,“启禀国王，我爸爸在家生孩子。”少年不慌不忙地回答。,少年的回答引起国王和大臣们一阵哄笑。,继而，国王生气了：“胡说！男人怎么会生孩子？”,“是的，国王。男人是不能生孩子的，正如公鸡不能下蛋一样。”少年抓住时机，一句话说得国王张口结舌，无言相对，最后只好赦免了大臣。,生活中有很多现象是类似的。我们常常根据两个类似系统的某一系统中某一公认为正确的判断，来对另一系统作出类似的判断，这种方法叫做类比。“公鸡是不会生蛋的”，这是公认的事实，可是国王却违背了这个真理。“公鸡不能生蛋”与“男人不能生孩子”是类似的两个现象。为了证实“公鸡不能生蛋”是正确的，就用“男人不能生孩子”这一公认的事实来类比，从而达到否定国王谬论的目的。,类比的方法在数学中有广泛的应用。平面上三条直线可以围成一个三角形，空间四个平面可以围成一个四面体（三棱锥）。三角形与四面体是两个类似的几何图形，它们之间可以类比。我们从三角形已有性质出发，可以推测四面体是否也有类似的性质。,三角形有,3,个顶点，四面体有,4,个顶点；,三角形有,3,条边，四面体有,4,个面；,三角形有,3,个角，四面体有,6,个二面角。,任何一个三角形都有一个内切圆，任何一个四面体是否也必有一个内切球（与四面体四个面相切的球）？答案是肯定的。,任何一个三角形总有一个外接圆，任何一个四面体是否必有一个外接球（即过四个顶点的球）？答案也是肯定的。,天文学家开卜勒曾说过：“我珍视类比胜于任何别的东西，它是我最可信赖的老师，它能揭示自然界的秘密，在几何学中它应该是最不容忽视的。”,数学家拉普拉斯也说过：“甚至在数学里，发现真理的主要工具也是归纳和类比。”让我们在日常生活和数学发现中，更好地发挥类比这个工具的作用吧！,类比推理与归纳推理一样，也是一种合情推理，其结论正确与否，必须经过严格的证明（用演绎推理论证）,因此，类比推理也是一种创造性较强而可靠性较弱的方法,.,类比推理的一般形式：,类比推理在数学创造活动中发现真理的一般过程：,从具体问题或具体素材出发,类 比,（类比推理）,联想,形成普遍命题,（猜想）,证明,预见,2,）类比推理与归纳推理的关系,归纳推理是从特殊事物的性质得到一般对象的性质，是一种纵向思维；类比推理却是一种横向思维，是借助于两个事物（两个系统）在某些部分上的一致性来推测在另外一些部分上的一致性,.,例,1.,分析算术平均与几何平均不等式的发现过程,见,P207-208,王子兴,3,）类比推理成功的例子,例,2.,无穷级数,之和的发现道路（见,P209,王子兴）,.,类比推理的成功是数学内在统一性的一种表现,.,数学类比推理能力的提高，依赖于对数学统一性的深刻理解,.,4,）类比推理失败的例子,类比推理和归纳推理一样，也是一种合情推理，其结论带有偶然性和片面性,.,其原因在于任何相似的两个对象之间，总有一定的差异性，推出的属性如果正好是两者的差异性，此时类比推理就会发生错误,.,也就是说，事物之间的相似属性（或共有属性）和推出的属性之间不一定有必然的联系，因此由类比推理得出的结论，有的可能是对的，也有的可能是错的,.,例,3.,关于无穷级数,的敛散性,.,见,P214,王子兴,5,）类比推理在问题解决中的作用和意义,波利亚：“类比似乎在一切发现中有作用，而且在某些发现中有它巨大的作用”,.“,类比是提出新命题和获得发现取之不尽的源泉”,.,类比在数学发现中的两个作用：,发现新的命题，直至发现新的数学领域；,发现问题解决的途径和方法,例,5.,1979,年全国高考题 见,P216,王子兴,三、数学中的证明,1.,证明的意义和结构,证明就是根据一些已经确定真实性的命题来断定某一命题真实性的思维过程,.,数学中的证明是应用已经确定其真实性的公理、定理、定义、公式、性质等数学命题来论证某一数学命题的推理过程,.,任何逻辑证明都是由论题、论据和论证三部分组成,.,论题是需要证明其真实性的命题；,论据是确定论题为真所依据的那些命题；,论证就是指由论据出发进行一系列推理来确定论题真实性的过程,.,中学数学中的证明通常分为已知、求证、证明三部分,.,2.,证明的规则,数学证明是逻辑论证的一种，也是数学思维的过程，,正确的数学证明应该遵循逻辑论证的一般规则,.,规则,1.,论题必须明确且保持同一（防止“论题不清、换题论证”的错误的发生）；,规则,2.,论据必须真实、充分（防止“虚假理由、不能推出”的错误的发生）；,规则,3.,论证必须遵循推理规则，不得循环论证,.,3.,数学中常用的证明方法,数学证明,按思维方式分类,归纳法,演绎法,按思维的方向分类,分析法,综合法,按证明的形式分类,直接证法,间接证法,反证法,同一法,归谬法,穷举法,（,1,）分析法与综合法,在数学证明中，如果思考推理的方向是从求证追溯到已知，即从未知到已知，这种证明方法称之为分析法；反之，如果思考推理的方向是从已知到求证，即从已知到未知，这种证明方法称之为综合法,.,（,2,）直接证法与间接证法,在数学证明中，直接从正面证明论题的真实性的方法，称为直接证法,.,如果不是直接证明论题的真实性，而是通过,证明论题的否定命题不真,，或者,证明论题的等效命题成立,，从而肯定论题的真实性的证明方法，称为间接证法，间接证法主要有,反证法,和,同一法,.,反证法,通过证明论题的否定命题不真，从而肯定原论题真实的证明方法,.,分为归谬法和穷举法两种,.,反证法的一般步骤：,假设论题的结论不成立（即结论的否定成立）；,从论题的条件和否定的结论出发，进行推理，得出与已知公理、定理、定义、论题条件或否定结论相矛盾的结果；,根据排中律，最后肯定原论题成立,.,例,1,：求证：不是有理数,.,例,2,：如图，在,ABC,中，,已知,BE,、,CF,分别是,B,、,C,的平分线，且,BE=CF.,求证：,AB=AC.,证明：,若,ABAC,，则有,AB AC,或,AB AC,，则,ACB ABC.,所以 ,BCF CBE,，,所以,BF CE,，,又,BF=EG,，,所以,EG CE,，,所以 ,ECG EGC,，,又,CF=BE=FG,，,所以 ,FCE FGE=FBE,，,所以 ,ACB ABC,（自相矛盾），,即,AB,AC,同理可证，,AB AC,也是不可能的,.,综合,可知，,AB=AC.,在例,1,中，论题结论的否定方面只有一种可能情况，那么，,只要把这一情况推翻，就能肯定结论成立，这种反证法又称归谬法,.,在例,2,中，论题结论的否定方面不止一种情况，那就,必须将否定后的各种情况一一驳倒，才能肯定结论成立，这种反证法又称穷举法,.,同一法,通过证明原命题的等价逆命题而间接证明原论题的方法，称为同一法,.,我们已经知道，两个互逆命题不一定是等价（同真同假）的，只有当命题的条件和结论所确定的对象是惟一存在的情况下，也就是一个命题的条件和结论所指的概念同一的情况下，该命题与其逆命题才能等价，这是我们称这一命题符合同一原理,.,在几何证明中同一法的一般步骤如下：,作出符合命题结论的图形；,证明你所作图形符合已知条件；,根据惟一性，确定所作图形与已知图形重合；,肯定原命题成立,.,反证法和同一法的区别与联系,它们都是间接证法,证明方法不同,逻辑依据不同,适用范围不同,谢谢大家！请多指教！,