用反正法证题的几种情形

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  反证法是从否定要证命题的结论出发,进行合理的推导,得出矛盾,从而肯定命题结论成立,完成命题论证的方法。本文重点介绍适用反证法的几种命题形式。
  一、结论为否定形式的命题
  例1:证明y=cos不是周期函数。
  证明:若y=cos是周期函数,那么应存在一个非零常数T,使cos=cos……①
  设x=0,得cos=cos0=1。
  所以存在自然数k1,使=2k1π,T=4k12π2。
  其次,在①中令x=4π2,得cos=cos2π=1。
  所以又存在自然数k2,使=2k2π,于是=k2, 但k12<1 k12<(k1 1)2 , 所以不是自然数,即k2不是自然数,得到矛盾。因此假设不成立,即y=cos不是周期函数。
  二、结论以“至少”、“至多”、“任一”、“唯一”、“无一”、“全部”等形式出现的命题
  例2:试证:方程x=sinx c(其中c是常数)的解是唯一的。
  证明:显然,直线y=x-c与正弦曲线y=sinx必有交点,故方程必有解。如果方程的解不是唯一的,即至少有两个解x1、x2 (x1≠x2)。代入方程相减,得
  x1-x2=sinx1-sinx2=2cossin
  但sin<, ∴x1-x2<2cos·。
  得cos>1, 与cos≤1矛盾。
  因此,方程x=sinx c的解是唯一的。
  三、结论以“无限”的形式出现或涉及“无限”性质的命题
  例3:试证a b(其中a、b是有理数,b ≠0)是无理数。
  证明:假设a b是有理数,设a b=p(p为有理数),由上式得=。
  因a、b、p都是有理数,由有理数的四则运算的封闭性知,(b ≠0)是有理数, 不妨设=(r、s是互质整数,且s≠0),则=,3s2=r2。左边为3的倍数,因此右边r也必有因数3,设r=3q,代入得s2 =3q2。
  同理推出s有因数3,于是r、s有公约数3,这与上面关于r、s是互质整数的假设矛盾,证得a b为无理数。
  四、关于存在性的命题
  例4:设f(x),g(x)是[0,1]上的实值函数,证明存在x0,y0∈[0,1],使得x0y0-f(x0)-g(y0)≥……………①
  证明:反设这样的x0,y0不存在,则对一切x,y∈[0,1]均有xy-f(x)-g(y)<……………②
  取数对(0,0),(0,1),(1,0),(1,1)代入②,得f(0) g(0)<,f(0) g(1)<,f(1) g(0)<,1-f(1)-g(1)<。
  从而
  1=[1-f(1)-g(1)] [f(1) g(0)] [f(0) g(1)]-[f(0) g(0)]………③
  ≤[1-f(1)-g(1)] [f(1) g(0)] [f(0) g(1)] [f(0) g(0)]
  < =1。
  这一矛盾表明,存在x0,y0∈[0,1]使得①成立。
  五、已知成立命题的逆命题
  如果原命题与其逆命题都正确时,其逆命题的正确性往往可以用反证法证明。
  例5:已知四边形ABCD中,E,F分别是AD,BC的中点,且EF=(AB CD)。求证:AB∥CD。
  证明:假设AB与CD不平行(如图1),取AC中点M,连ME,MF,则在△ACD与△ACB中,按中位线定理得MECD,MFAB。
  由于AB与CD不平行,故ME与MF不共线,构成△MEF, 有ME MF>EF。即CD AB>EF。这与已知条件(AB CD)=EF矛盾。从而证得AB∥CD。
  本题若不从反证法着手,则证明比较困难。
  六、已知条件少或从已知出发所能推出结论甚少的命题
  例6:设a、b、c,m、n、p均为实数,且满足ap-2bn cm=0和b2-ac<0,求证:mp-n2≤0。
  证明: 假设mp-n2>0,则mp>n2。由b2-ac<0,得b2b2∴acmp>n2 b2。①
  又由ap-2bn cm=0得bn=(ap cm)②
  把②代入①并化简,得(ap-cm)2<0 ,
  产生矛盾,故命题为真。
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