高中数学第三章推理与证明3.4运用反证法要善于制造“矛盾”素材北师大选修120925388.doc

运用反证法要善于“制造”矛盾 反证法是间接证明的一种基本方法,是从反面的角度思考问题的证明方法,是解决某些“疑难”问题的有力工具.反证法就是先假设原命题不成立,经过正确的推理,最后得出矛盾,依靠矛盾推翻假设,从而证明原命题成立的. 反证法的应用非常广泛,用反证法证明命题“若p则q”时,我们常常需要“制造”以下四种“矛盾”. 一.与原命题的条件矛盾;

例1.组装甲、乙、丙三种产品,需要A,B,C三种零件,每件甲产品用零件A,C各2个;
每件乙产品用零件A 2个,零件B 1个;
每件丙产品用B,C各1个,如组装10件甲,8件乙,5件丙,则剩下2个A零件,1个B零件,C零件都恰好用完,试证无论如何改变甲、乙、丙的件数,都不会将零件A,B,C用完. 解假设组装甲x件,乙y件,丙z件,零件A,B,C恰好用完,则有方程组 解得,方程组的解均为非整数,与题设矛盾,即假设错误,所以原命题成立. 点评 本题的结论是“不论怎样改变甲、乙、丙的件数,都不会将零件A,B,C用完”, A,B,C不能用完的情况有多种,而结论的反面是“零件A,B,C都恰好用完”,这只有一种确定的情况,即三种零件的剩余数皆为零,因此从反面出发,较易证.通过推理得到的结果与题设矛盾. 练习 1.设SA、SB是圆锥SO的两条母线,O是底面圆心,C是SB上一点。求证AC与平面SOB不垂直。

S C A O B 证明 假设AC⊥平面SOB, ∵ 直线SO在平面SOB内, ∴ AC⊥SO, ∵ SO⊥底面圆O, ∴ SO⊥AB, ∴ SO⊥平面SAB, ∴平面SAB∥底面圆O, 这显然出现矛盾,所以假设不成立。

即AC与平面SOB不垂直。

2.若函数fx在区间[a,b]上是增函数. 求证方程fx0在区间[a,b]上至多有一个实根. 证明假设方程fx0在区间[a,b]上有两个实根x1 ,x2. 则fxl)fx2)0,这与函数f x在区间[a,b]上是增函数矛盾. 故方程fx0在区间[a,b]上至多有一个实根. 二.与假设矛盾 例2.求证抛物线没有渐近线. 分析 本题已知条件太少,直接证明难度太大,可以运用反证法. 证明设抛物线的方程是。

假设抛物有渐近线,渐近线的方程是,易知、都不为0。因为渐近线与抛物线相切于无穷远点,于是方程组 的两组解的倒数都是0。

将(2)代入(1),得 (3) 设、是(3)的两个根,由韦达定理,可知 , 则, (4) , (5) 由(4)、(5),可推得, 这于假设矛盾。

所以,抛物线没有渐近线。

点评 利用假设作条件,经过推理论证,得出的结论与假设矛盾. 练习 1.设函数fx对于定义域内任意实数都有fx≠0,且fx+yfxfy成立.求证对于定义域内的任意x都有fx0. 解析 假设满足题设条件的任意x,fx>0不成立,即存在某个x0,有fx00,Ax1,y1),Bx2,y2)Cx3, y3),Dx4,y4)是抛物线上的不同四点,则有axi,(i1,2,3,4),于是, 同理,,. 假定ABCD是平行四边形,则kAB kCD , kBC kDA,从而得yl y3 , y2y4,进而得x1x3,x2x4,于是A、C重合,B,D重合,这与A,B,C,D是抛物线上不同的四点的假设相矛盾. 故ABCD不可能是平行四边形. 三.导出一个恒假命题. 例3. 已知p3 q32,求证pq≤2. 分析本题已知为p、 q的三次幂,而结论中只有p、q的一次幂,应考虑到求立方根,同时用放缩法,但很难证,故考虑反证法. 证明假设pq2,那么p2-q, ∴p3>2-q38-12q6q2-q3. 将p3 q32,代入得6q2-12q60, 即6q-12<0. 由此得出矛盾.∴pq≤2. 点评q-12不可能小于0. 6q-12<0是一个恒假命题.当命题“结论反面”比“结论”更为明确具体时,宜用反证法. 练习 1.平面上有四个点,没有三点共线,证明以每三点为顶点的三角形不可能都是锐角三角形. 证明如图,假设以每三点为顶点的四个三角形都是锐角三角形.记这四个点为A,B,C,D. 考虑△ABC,点D在△ABC之内或外两种情况. (1如果点D在△ABC内,由假设点D处的三个角都是锐角,其和小于2700,这与一个周角等于3600矛盾. 2)如图,如果点D在△ABC外,由假设∠A,∠B,∠C,∠D为锐角,这与四边形内角之和等于3600矛盾. 综上所述,命题成立. 2.已知a,b,c∈0,1,求证b,1-bc,1-ca不能同时大于. 证明假设三式同时大于,即b>,1-bc>,1-ca >. 因为Oa0,所以, 同理,, 三式相加得,矛盾,即假设错误,所以原命题成立. 四.这与定理公理产生矛盾 例4.过平面上的点A的直线,求证是唯一的。

证明假设不是唯一的,则过A至少还有一条直线, ∵、是相交直线, ∴、可以确定一个平面。

设和相交于过点A的直线。

∵,,∴,。

这样在平面内,过点A就有两条直线垂直于,这与定理产生矛盾。

所以,是唯一的。

点评 本题利用假设,经过推证,与公理、定理产生矛盾。

适宜用反证法证明的数学命题. ①结论本身是以否定形式出现的一类命题. ②关于唯一性、存在性的命题. ③结论是以“至多”“至少”等形式出现的命题. ④结论的反面比原结论更具体、更容易研究的命题. 练习 1.求证两条相交直线有且只有一个交点. 证明 假设结论不成立,则有两种情况或者没有交点,或者不只一个交点. 1如果直线a.b没有交点,那么a∥b,这与已知矛盾;

2如果直线a.b不只有一个交点,则至少交于点P,P’,这样经过两点P, P’就有两条直线a.b,这与两点确定一条直线矛盾. 由1和2可知,假设错误,所以,两条相交直线有且只有一个交点. 2.求证直线与圆至多有两个交点. 证明 如图所示,假设直线与圆O至少有三个交点A,B,C,取AB,BC中点D,E,连OD,OE,则 OD⊥AB,EO⊥BC,于是OD⊥, OE⊥,这与过直线外一点能且只能作该直线的一条垂线相矛盾,所以假设不成立,故直线与圆至多有两个交点. 4