第七讲--数学证明与趣谈课件.ppt
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- 第七 数学 证明 趣谈 课件
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1、1一、什么做证明二、证明的几种理解三、无字证明四、证明趣事五、证明的小结2一、一、什么做证明什么做证明?辞海:“根据已知真实的判断来确定某一判断的真实性的思维形式。”根据某个或某些真实的数学命题和概念,断定另一数学命题的真实性的推理过程叫做数学证明。数学证明是指数学的逻辑证明,它是数学科学的一大特点。一个定理就是一个命题。一个数学证明从某种意一个定理就是一个命题。一个数学证明从某种意义上是一组命题或一类命题。义上是一组命题或一类命题。(哈代,李文林,一个数学家的辩白,江苏教育出版社,1996,P66)3 数学证明的组成 任何证明都由论题、论据和论证三部分组成。论题待证明的论题命题论据用于证明的
2、一论据系列判断论证把论题和论据联系起来的一系列推理4 说它容易,是因为一般书本,尤其是西方的著述,都公认数学证明始于公元前六世纪。据说当时的希腊数学家、哲学家泰勒斯(Thales)证明了几条几何定理,包括如直径把圆平分、等腰三角形的底角相等、对顶角相等之类。到了公元前4世纪,欧几里得写成了不朽巨著几何原本。他从一些基本定义与公理出发,以合乎逻辑的演绎手法推导出四百多条定理,从而奠定了数学证明的模式,成为后世宗师。萧文强,数学证明,江苏教育出版社,1990年07月第1版,第4页5 如果没有严格的证明,则不能信服一事物是可能的还是不可能的。数学家曾证明了一系列可能的事和不可能的事。对于其它科学,如
3、果也能像数学那样严格地进行推理和证明,则必将最终发现许多看上去可能的事其实是不可能的。莫里兹,数学的本性,P1186 二、证明的几种理解二、证明的几种理解 数学的证明数学的证明与与科学的证明科学的证明之间存在着深刻的差别这种差别是理解自毕达哥拉斯以来每个数学家工作的关键。经典数学的证明数学的证明方法是,从一系列公理、定义出发,通过逻辑论证,一步一步地得到某个结论如果公理是正确的,逻辑又没有缺陷,那么得到的结论将是不可否定的。这个结论就是一个定理。数学证明依靠这一逻辑过程,而且一个定理一经证明就永远是对的 科学的证明科学的证明依赖于观察、实验和理解力。而这两者都是容易出错的,从而它只能提供近似真
4、理的概念即使人们最为普遍地接受了的科学证明中也总存在着可疑的成分,而在另外些场合,这种理论最终会被证明是错的,这就导致科学上的革命。张顺燕编著,数学的源与流(第二版),2000年版,第527-529页 7 数学证明与科学证明有着本质的判别数学证明与科学证明有着本质的判别 在物理学中在物理学中,个假设被提出来,用以解释某一类个假设被提出来,用以解释某一类物理现象如果对物理现象的观察与这个假设相符,就成物理现象如果对物理现象的观察与这个假设相符,就成为这个假设成立的证据。进而,这个假设不仅能描述已为这个假设成立的证据。进而,这个假设不仅能描述已知的现象,而且能预见新的结果如果它再次成功,那知的现象
5、,而且能预见新的结果如果它再次成功,那么就有更多的证据支持这个假设最终,证据的数量可能么就有更多的证据支持这个假设最终,证据的数量可能达到压倒的程度,这个假设就作为一个理论而被接受达到压倒的程度,这个假设就作为一个理论而被接受 数学证明与上不同,数学证明具有绝对的意义,是数学证明与上不同,数学证明具有绝对的意义,是无可怀疑的。毕达哥拉斯公元前无可怀疑的。毕达哥拉斯公元前500年证明的定理,今年证明的定理,今天依然正确。数学不依赖于容易出错的实验证据,而是天依然正确。数学不依赖于容易出错的实验证据,而是立足于逻辑。立足于逻辑。张顺燕编著,数学的源与流(第二版),2000年版,第528页 8 数学
6、的机械证明 如几何定理的机械证明,吴文俊、张景中等数学家做了大量工作,解决了等式型或不等型的机器证明。几何的机器证明一般分三个步骤:1从几何公理系统出发,引进坐标系统,使任意几何定理的证明问题成为纯代数问题(几何的代数化与坐标化)。2整理几何定理假设部分的代数关系式,依照确定步骤,验证终结部分的代数关系式是否可以从假设部分的代数关系式推出(几何的机械化)。3依据第二步中确定步骤编成程序,在计算机上实施,以得出定理是否成立的最后结论。即公理化一代数化一坐标化一机械化。公理化一代数化一坐标化一机械化。丁石孙数学与教育,湖南教育出版社1998年04月第2版P1129三、无字证明1011中学数学杂志
7、1992(8)12中学数学教与学,1992(4)1314 婆什迦罗用图去解释勾股定理婆什迦罗用图去解释勾股定理 如魏晋人赵爽注周髀算经弦图一样如魏晋人赵爽注周髀算经弦图一样 最后写一句最后写一句“看呀!看呀!”便不再说什么了便不再说什么了。萧文强,数学证明,1990年07月第1版,第13页1516171819202122 几千年的数学史表明,直观的、物理的方式早于形式演绎方式。正如美国数学史家克莱因所说的:很久以前数学家就知道直觉的可靠性要胜过逻辑很久以前数学家就知道直觉的可靠性要胜过逻辑的可靠性。的可靠性。数学命题的直观证明就是使用知觉来确认论据的正确性与真实性,易于与人的经验相结合,所需的
8、数学基础知识较少。23案例案例1 不单在文献上有这样的记载不单在文献上有这样的记载,甚至甚至“演示演示”(demonstrate)这这个词的希腊文,在欧几里得的时代虽解释为证明,在公元前个词的希腊文,在欧几里得的时代虽解释为证明,在公元前6世纪的时候,却有视觉、观察的意思。世纪的时候,却有视觉、观察的意思。在欧几里得的原本里,每条定理证毕都写上在欧几里得的原本里,每条定理证毕都写上“这就这就是要证明的是要证明的”,后来变成拉丁文的,后来变成拉丁文的 Quod Erat Demonstrandum,简写作,简写作QED 香港不少中学生习惯戏称此谓英文香港不少中学生习惯戏称此谓英文“相当容易相当容
9、易做做”(Quite Easily Done)的缩与的缩与!。最后那个字,便是视觉、。最后那个字,便是视觉、观察的证明遗留下来的痕迹了。观察的证明遗留下来的痕迹了。萧文强,数学证明,江苏教育出版社,1990年07月第1版,第6页四、证明趣事四、证明趣事24案例2 “驴桥在此,愚者莫过”原来欧几里得的几何原本是牛津大学的教科书,这个书第一篇中给出36个定义,再给出5个公设和5个公理,接着叙述了48个命题(定理)其中命题五就是所谓“驴桥”问题:等腰三角形底角必相等。这个定理现在证法很简单;引顶角的平分线是在后面才提到。于是,欧儿里德只能用前面的四个命题来证明,因此是长长一大篇,绝大部分学生到此就看
10、不懂了,因此命题五就成为“笨蛋的难关”。李小军“数学与数学家趣事”25郭彬彩,王庆东,侯海军,数学史与数学家,西安地图出版社,2002.07,P52 26案例案例3 70年代初,美国的东方民航公司登了一则广告,大字标题是 “咖啡、茶、还是飞机?”颇吸引人,广告效果好:“如果我们在短程航机上供应饮品,便不能让你如上公共汽车一样随来随上飞机了。”接着证明:“如果我们在短程航机上供应饮品,服务员便没有时间在飞机上卖票;服务员没有时间在飞机上实票,乘客便须预购机票;乘客预购机票,我们便不用设置候用飞机;我们不用设置候用飞机,便不能保证乘客随来随有机位;如果不能有这项保证,也就没资格叫做穿梭服务了!”风
11、趣地说明了一个证明怎样把前提与一个并不明显的结论连起来。萧文强,数学证明,1990年07月第1版,第9页 27 美国数学家科尔(F.N.Cole)在1903年10月作了一个无言的报告。他在黑板上写下两个式:2671,193707721 761838257287。换句话说,他证明了2671不是一个素数。据说整个过程他一言不发,待他放下手中粉笔时,全场响起热烈的掌声。后来别人问他这花去多少时间,他说整个三年的日日夜夜。萧文强,数学证明,1990年版,第43页案例428 狗猛酒酸狗猛酒酸 宋国有个卖酒的人宋国有个卖酒的人,买卖公道,待客恭敬,酿酒醇美,买卖公道,待客恭敬,酿酒醇美,酒帘醒目,但酒卖不
12、出去,都变酸了。后来有位长者对酒帘醒目,但酒卖不出去,都变酸了。后来有位长者对店主说店主说:“是你的狗太凶猛啦!是你的狗太凶猛啦!”原来,人家都怕店主原来,人家都怕店主的狗。有的人家让小孩子来打酒,那只狗迎上去就咬人,的狗。有的人家让小孩子来打酒,那只狗迎上去就咬人,谁还敢来呢谁还敢来呢?萧文强,数学证明,1990年07月第1版,第1页案例529 古希腊数学家欧几里得(Euclid)(公元前300年),在几何原本中有了关于素数的命题:素数的个数有无穷个,即“若有n个素数,必有n+1个素数。证明证明:假设P是一个最大的素数。令n为所有小于或等于P的素数的乘积。则n+1很明显不能被任何小于或等于P
13、的素数整除,因此只有两种可能:(1)n+1是一个大于P的素数 (2)n+1的质因子都大于P 不论是(1)或(2)的情况都会得到大于P的素数。案例630 棘刺母猴棘刺母猴 燕王供养了一位自称能在棘刺尖上雕母猴的卫国人燕王供养了一位自称能在棘刺尖上雕母猴的卫国人,并想看他表演。谁料这客人只顾吃喝玩乐,还说若国王并想看他表演。谁料这客人只顾吃喝玩乐,还说若国王要看棘刺母猴,必须半年不进后宫,不喝酒,不吃肉,要看棘刺母猴,必须半年不进后宫,不喝酒,不吃肉,而且要待至雨停日出,似明似暗的一刹那才能看到。燕而且要待至雨停日出,似明似暗的一刹那才能看到。燕王拿他没法,只好一直供养他。后来有位铁匠对燕王说王拿
14、他没法,只好一直供养他。后来有位铁匠对燕王说:我是打刀的,我知道刻东西需用小刀,而且刻的东我是打刀的,我知道刻东西需用小刀,而且刻的东西一定要比刀刃大方行。如果棘刺尖儿容纳不下刀刃,西一定要比刀刃大方行。如果棘刺尖儿容纳不下刀刃,就不能在上面雕刻了。请国王瞧瞧客人的刻刀,不就知就不能在上面雕刻了。请国王瞧瞧客人的刻刀,不就知道他有没有说谎吗道他有没有说谎吗?于是国王问客人取刻刀看,客人藉辞回家取刀趁机于是国王问客人取刻刀看,客人藉辞回家取刀趁机溜走了!溜走了!萧文强,数学证明,1990年07月第1版,第1页案例731 对于反证法对于反证法,英国近代数学家哈代说得好英国近代数学家哈代说得好:欧几
15、里得很喜欢采用归谬法欧几里得很喜欢采用归谬法(即反证法即反证法)。这是数学家最有力的一件武器,比起象棋开局时这是数学家最有力的一件武器,比起象棋开局时牺牲一子以取得优势的让棋法还要高明。象棋弈牺牲一子以取得优势的让棋法还要高明。象棋弈者不过牺牲一卒或顶多一子,数学家则索性把全者不过牺牲一卒或顶多一子,数学家则索性把全局拱手让子对方!局拱手让子对方!欧阳锋,数学的艺术,1997年版,第181页32 柏拉图在理想园的一段话,这是很可信的:你一定晓得,研究几何、算术或类似科学的人,以奇数、你一定晓得,研究几何、算术或类似科学的人,以奇数、偶数、图形、三种角及这一类东西作为基础。这是他们的研偶数、图形
16、、三种角及这一类东西作为基础。这是他们的研究的出发点,他们不认为有需要对这些再加任何说明,这是究的出发点,他们不认为有需要对这些再加任何说明,这是开始的原理开始的原理。如,公元前公元前6世纪毕达哥拉斯学派关于图形数的一些定理,看世纪毕达哥拉斯学派关于图形数的一些定理,看来是凭形象观察去证明的。他们常把数描绘成小石于,按小来是凭形象观察去证明的。他们常把数描绘成小石于,按小石子能排列成的形状把数分类。例如,石子能排列成的形状把数分类。例如,l、4、9、16,叫做叫做正方形数正方形数;1、3、6、10、叫做三角形数叫做三角形数萧文强,数学证明,江苏教育出版社,1990年07月第1版,第5页33cb
17、aabr2234 把这四个这样的三角形合成一矩形,再重新拼凑寻20块小片,得到另一矩形,两矩形的面积相等,一个是2ab,另一个是2r(a+b+c).故2ab=2r(a+b+c)即2r=2ab/(a+b+c).353637萧文强,数学证明,1990年07月第1版,第25页 38萧文强,数学证明,1990年07月第1版,第2728页 谁能保证证明没有错误呢?如汤普逊一菲特定理为例,有多少人能透彻读通那255页?所谓透彻,是指连文章里引用到的定理也全部核实。这番功夫是很费劲的,而且要十分仔细,任何细节都不能放过或者借别人之手去验证。即使真的有这样的人,怎能肯定任何错误都逃不过他的锐利目光呢?39 据
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