从数学证明的错误中探讨数学的严谨性

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  摘要:数学证明是由假设经过严密的推理得出结论的过程,它包括论题、论据和论证三个方面。一个正确的数学证明必须是论题明确、不含糊;论据不多不少;论证步步有据。否则就会导致证明的错误,甚至留下错误的“定理”。
  关键词:数学证明严谨性
  培根说过 “数学使人严密”,严谨的思维是每个学习数学的人不可缺少的财富。数学证明是由假设经过严密的推理得出结论的过程,它包括论题、论据和论证三个方面。一个正确的数学证明必须是论题明确、不含糊;论据不多不少;论证步步有据。否则就会导致证明的错误,甚至留下错误的“定理”。我认为引起数学证明错误的主要因素有以下几个方面:
  一、对论题理解不够
  论题本身就是一个假命题,但是被施以完美的证明后变成了“真命题”。如例1的证明。
  例1:有一组对边和一组对角相等的四边形是平行四边形。
  我们且看下面的证明.
  已知:如右圖,设在四边形ABCD中,
  AD=BC,∠A=∠C
  求证:ABCD是平行四边形。
  证明:过B点作BE⊥CD于E,
  过D点作DF⊥AB于F。
  于是在直角△AFD和直角△CEB中
  ∵AD=BC,∠A=∠C
  ∴△AFD≌△CEB
  ∴AF=CE,DF=BE
  又连接BD,则在直角△BFD和直角△DEB中
  ∵DF=BE,DB=BD
  ∴△BFD≌△DEB
  ∴BF=DE,∠DBF=∠BDE
  ∴DC‖AB,DC=DE EC=BF AF
  ∴ABCD是平行四边形
  
  虽然上面这个证明看上去步步有据,没有任何问题存在,但是这个证明在一开始就出现了严重的问题,破坏了数学的严谨性,即以偏概全。我们试回过头来看一下这个题目的题设“有一组对边和一组对角相等的四边形”,那么符合题设所列条件的四边形是不是只有平行四边形呢?如果真只有平行四边形一种,那么上述证明是准确的、无懈可击的。但问题就恰恰出在这里,除平行四边形之外还有符合题设条件的四边形存在。请看下面给出的图形:
  如右图所示:四边形ABCD是由两个全等的三角形(△ABC和△EDA)和一个等腰三角形(△ACE)构成的。它满足一组对边(BC和AD)和一组对角(∠B和∠D)相等的条件,但它不是平行四边形。这个图形告诉我们“有一组对边和一组对角相等的四边形”并不一定是平行四边形,还可以是右边的图形。这让我们认识到以上的证明实际上是在让一个错误的说法变正确,那当然是不可能的。不难想像这个证明是错误的。
  以上例题虽论题本身是假命题,但是被施以完美的证明后变成了“真命题”,留下了错误的结论,就是没有遵循数学的严谨性而造成的。
  二、论据应用错误
  使用定理时忽略定理中的条件、或误解定理的内容。如:在应用平面与平面平行的判定定理时,忽略平面内两条直线的位置关系,而在证明中应用“如果一个平面内有两条直线与另一个平面平行,则这两个平面平行”的错误论据。
  应用未加证明的结论做论据。如在例1的证明中有一位同学在证明三角形全等时用“有两边和其中一边上的高对应相等的两个三角形全等”的结论。
  例3:如图,AD是△ABC边BC上的高,EH是△EFG边FG上的高,且∠B=∠F,BC=FG,AD=EH.求证:△ABC≌△EFG.
  现把这位同学的证明过程照录如下:
  证明: ∵AD是△ABC边BC上的高,
  EH是△EFG边FG上的高
   ∴在△ABD和△EFH中
  ∠ADB=∠EHF=90°
  ∠B=∠F
  AD=EH
   ∴△ABD≌△EFH
   ∴AB=EF
   则在△ABC和△EFG中
  AB=EF
  BC=FG
  AD=EH
   ∴△ABC≌△EFG
   “有两边和其中一边上的高对应相等的两个三角形全等”是一个未经证明的命题,这个命题是否成立,我们还需要证明。我们看下面的图形,△ABC是等腰(AC=BC)三角形,过C点作CD‖AB,过A点作AE⊥DC的延长线于点E,过B点作BF⊥CD于点F,则△ACD和△BCD是有两边和其中一边上的高对应相等的两个三角形,但它们不全等。因此,我们在用未加证明的结论时要慎重,必要时我们在证明中加上对它的证明。
  三、证明过程不严谨
  证明方法应用不当,出现用结论证明结论的循环证明。
  对题目描述问题的情况考虑不全,使某种符合题目条件的情况缺失,而是证明只限于局部情况,出现以偏概全的片面证明。
  例4:已知M是两条异面直线ab外一点,则过M且与ab都平行的平面有几个?
  解:设平面α过点M,且与a、b都平行,则直线a及其外一点M所确定的平面与α的交线a’必与a平行.同理存在b’ ∈α,且b’ ∈b,则α为a’与b’确定的平面,由于过M且与a平行的直线a’是唯一的,b’也是唯一的,因而由a’、b’确定的平面α也是唯一的.综上所述,过M且与a、b都平行的平面只有一个.
  此解法在探索符合条件的平面时没有注意到aα或bα的特殊情况,也就是说这是一个不完整的、不严谨的解题过程。下面我们给出正确的解法:
  解:过M作直线a’a,过M作直线b’b,则a’、b’确定平面α,当a、b都不在由a’、b’确定的平面α内时,过M且与a、b都平行的平面只有一个;当a∈α或b∈α时,过M且与a、b都平行的平面不存在.
  通过以上论述,我们不难发现数学的严谨性是不可忽视的,一旦数学的严谨性受到挑战,必将产生严重的后果,轻则引起证明的错误,重则留给后来学习者错误的数学知识。因此,我们必须以严谨的态度对待数学。
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