初高中衔接讲座:反证法

反证法是数学中重要的证明方法. 人教版的初中教材介绍了这一方法;但是,中考数学很少用到反证法。因此,在开始高中的学习前复习一下反证法,是很有好处的.


\boxed{\mathbb{Q6.}} 证明 \sqrt{2} 是无理数

\sqrt{2} 是人类最早发现的无理数。无理数与有理数的区别在于:任何一个有理数,必定可以表示为两个整数的比值。就是说,对于任意的有理数 q, 必定存在整数 m,n, 使得:q=\dfrac{m}{n}. 而对于 \sqrt{2} 则不可能找到这样的整数.

求证:\sqrt{2} 不是有理数。


【证明】

假设 \sqrt{2} 是有理数,则存在一对互质的整数 m,n 使得 \dfrac{m}{n} = \sqrt{2},于是:

\dfrac{m^2}{n^2}=2 \;\Rightarrow\; m^2=2n^2

m^2 是偶数,∴ m 是偶数,

m=2k, k 是另外一个整数,

m^2=4k^2n^2=2k^2

n^2 是偶数,

n 是偶数,2m,n 的公因数.

这就与前面的假设冲突.

\sqrt{2} 不可能用两个整数之比表示. 证明完毕.


\boxed{\mathbb{Q7.}} 证明:素数(也就是质数)的数量是无限的。

提示:用反证法。


【证明】

假设素数的数量是有限的,则可以整理一份从小到大排列的素数清单:

P_1,P_2,P_3,\cdots,P_m

P_m 代表最大的素数,凡是大于它的数,都是合数;都可以用清单内的素数的乘积表示.

Q=P_1\times P_2 \times P_3 \times \cdots P_m + 1,

Q \gt P_m,

显然, Q 不可以被以上清单内的任何一个素数整除,也就无法用清单内的素数的乘积表示.

所以,前述的假设 “素数数量有限” 不能成立.

证明完毕.


【提炼与提高】

\sqrt{2} 无法表示为两个整数的比值.

不存在最大的素数.

这两个命题是古希腊人的重要遗产,同时,也是反证法的经典例子. 类似这样既基本又重要的知识,每个想上大学的年轻人都必须要牢记.

关于反证法,从教版的教科书中这样描述:

不是直接从命题的已知得出结论,而是假设命题的结论不成立,由此经过推理得出矛盾,由矛盾断定所作假设不正确,从而得到原命题成立. 这种方法叫做反证法.

教科书用一个几何命题作实例,介绍了反证法. 详情请看:《九年级上册》第二十四章第2节.

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