反证法又称为归谬法,是间接证明的一种方法,它的实质是通过证明等价命题的正确性来肯定原命题的真伪。也就是说,反证法是从结论的反面入手,说明结论不容否定,从而证明结论的正确性。其核心是否定题设后去找矛盾,至于怎么去找矛盾,这是反证法的关键点,同时也是它的难点所在。
总之,用反证法去证明一个真命题,最后一定要出现矛盾,即与题设矛盾,或者导致题设自相矛盾,或出现一个自相矛盾的结果。
2.2 数学符号使用说明
现就本文中即将使用的一些数学符号语言 加以解释说明:
(1) 命题“若p则q”的数学表达式为“ ”.
(2) 命题 的否定即非 的数学表达式为“ ”.
(3) 集合 与集合 的交集的数学表达式为“ ”.
(4) 集合 与集合 的并集的数学表达式为“ ”.
2.3 反证法的步骤和特点
一般情况下,反证法证明命题有以下三个步骤(原命题为“若p则q”,其逻辑表达式为 ):
(1)提出反设:否定原命题的结论 (即设 ),假设结论的反面成立(即 ).
(2)进行推理:从“反设”出发,结合已知条件,进行严格的逻辑推理,推导出逻辑矛盾.
(3)得出结论:由逻辑矛盾判定“反设”不成立,从而肯定命题结论的正确性(即 为真).
反证法与一般的证明方法不同,它采用的是逆向思维方式,即不直接证明结论,而是间接的去否定与事物相反的一面,从而得出事物真实的一面,是一种让步的、间接的证明方法。从反证法的证题方法可以看出,它的最大特点是:否定原命题的结论,肯定原命题的条件,由此导出矛盾。
2.4 反证法的逻辑依据
反证法和直接证明法一样,它的推理过程遵循形式逻辑基本规律的要求。
首先,反证法是通过证明原命题 的反命题 , 是对同一事物的两个相互对立或矛盾的判断。根据矛盾律,在同一思维过程中,对同一事物的两个相互矛盾或对立的判断中,至少有一个是真的(不能同时为假),因此, 与 一定有一个是真的,一个是假的。而由反证法已经证明了 是假的(导出矛盾),所以原命题 一定是真的,即证明了原命题。
另一方面,用反证法推导出矛盾,实际上是构造并证明了另外一个新命题“ ”,即“原命题 的反命题 是”。而 .所以,“反命题的矛盾性”与“原命题的正确性”是两个互相等价的命题。
由此可见,反证法的每一步都有其逻辑依据,它是一种科学的证明方法。反证法的逻辑依据是矛盾律和排中律,通过证明与原命题逻辑等价的命题“烦命题的矛盾性”来间接证明原命题的正确性。
3 反证法在微积分学证明题中的应用举例
虽然反证法的应用范围很广泛,解决问题很巧妙,但什么样的命题才适合使用反证法或首选反证法来证明,要具体回答这个问题是不容易的,这需要经过不断的探索与总结。但总的来说,用直接法不易证明的命题可以尝试采用反证法来证明。下面,我将提出几类适用于反证法来证明的命题。
3.1 对于待证命题的结论以否定形式出现,可以考虑用反证法
否定性命题即结论以否定形式出现的命题,由于定义、定理等一般都是以肯定的形式出现,若采用直接证法一般不易得证,而运用反证法从结论的反面入手,即将结论改为肯定的形式,这样困难就会迎刃而解。
例1 若 在 可导,且无界,证明 无界.反之若 在 无界,证明 在 无界.