高中数学解题秘籍之反证法

高中数学解题秘籍之反证法与前面所讲的方法不同，反证法是属于“间接证明法”一类，是从反面的角度思考问题的证明方法，即：肯定题设而否定结论，从而导出矛盾推理而得。法国数学家阿达玛(Hadamard)对反证法的实质作过概括：“若肯定定理的假设而否定其结论，就会导致矛盾”。具体地讲，反证法就是从否定命题的结论入手，并把对命题结论的否定作为推理的已知条件，进行正确的逻辑推理，使之得到与已知条件、已知公理、定理、法则或者已经证明为正确的命题等相矛，矛盾的原因是假设不成立，所以肯定了命题的结论，从而使命题获得了证明。反证法所依据的是逻辑思维规律中的“矛盾律”和“排中律”。在同一思维过程中，两个互相矛盾的判断不能同时都为真，至少有一个是假的，这就是逻辑思维中的“矛盾律”；两个互相矛盾的判断不能同时都假，简单地说“A或者非A”，这就是逻辑思维中的“排中律”。反证法在其证明过程中，得到矛盾的判断，根据“矛盾律”，这些矛盾的判断不能同时为真，必有一假，而已知条件、已知公理、定理、法则或者已经证明为正确的命题都是真的，所以“否定的结论”必为假。再根据“排中律”，结论与“否定的结论”这一对立的互相否定的判断不能同时为假，必有一真，于是我们得到原结论必为真。所以反证法是以逻辑思维的基本规律和理论为依据的，反证法是可信的。反证法的证题模式可以简要的概括我为“否定→推理→否定”。即从否定结论开始，经过正确无误的推理导致逻辑矛盾，达到新的否定，可以认为反证法的基本思想就是“否定之否定”。应用反证法证明的主要三步是：否定结论→推导出矛盾→结论成立。实施的具体步骤是：第一步，反设：作出与求证结论相反的假设；第二步，归谬：将反设作为条件，并由此通过一系列的正确推理导出矛盾；第三步，结论：说明反设不成立，从而肯定原命题成立。在应用反证法证题时，一定要用到“反设”进行推理，否则就不是反证法。用反证法证题时，如果欲证明的命题的方面情况只有一种，那么只要将这种情况驳倒了就可以，这种反证法又叫“归谬法”；如果结论的方面情况有多种，那么必须将所有的反面情况一一驳倒，才能推断原结论成立，这种证法又叫“穷举法”。在数学解题中经常使用反证法，牛顿曾经说过：“反证法是数学家最精当的武器之一”。一般来讲，反证法常用来证明的题型有：命题的结论以“否定形式”、“至少”或“至多”、“唯一”、“无限”形式出现的命题；或者否定结论更明显。具体、简单的命题；或者直接证明难以下手的命题，改变其思维方向，从结论入手进行反面思考，问题可能解决得十分干脆。Ⅰ、再现性题组：1.已知函数f(x)在其定义域内是减函数，则方程f(x)＝0______。A.至多一个实根B.至少一个实根C.一个实根D.无实根2.已知a0,－1b0，那么a、ab、ab2之间的大小关系是_____。A.aabab2B.ab2abaC.abaab2D.abab2a3.已知α∩β＝l，aα，bβ，若a、b为异面直线，则_____。A.a、b都与l相交B.a、b中至少一条与l相交C.a、b中至多有一条与l相交D.a、b都与l相交4.四面体顶点和各棱的中点共10个，在其中取4个不共面的点，不同的取法有_____。(97年全国理)A.150种B.147种C.144种D.141种【简解】1小题：从结论入手，假设四个选择项逐一成立，导出其中三个与特例矛盾，选A；2小题：采用“特殊值法”，取a＝－1、b＝－0.5，选D；3小题：从逐一假设选择项成立着手分析，选B；4小题：分析清楚结论的几种情况，列式是：C104－C64×4－3－6,选D。Ⅱ、示范性题组：例1.如图，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。【分析】结论是“不垂直”，呈“否定性”，考虑使用反证法，即假设“垂直”后再导出矛盾后，再肯定“不垂直”。【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。【注】否定性的问题常用反证法。例如证明异面直线，可以假设共面，再把假设作为已知条件推导出矛盾。例2.若下列方程：x2＋4ax－4a＋3＝0，x2＋(a－1)x＋a2＝0,x2＋2ax－2a＝0至少有一个方程有实根。试求实数a的取值范围。【分析】三个方程至少有一个方程有实根的反面情况仅有一种：三个方程均没有实根。先求出反面情况时a的范围，再所得范围的补集就是正面情况的答案。【解】设三个方程均无实根，则有：△△△12222221644301404420aaaaaa()()(),解得321211320aaaa或,即－32a－1。所以当a≥－1或a≤－32时，三个方程至少有一个方程有实根。【注】“至少”、“至多”问题经常从反面考虑，有可能使情况变得简单。本题还用到了“判别式法”、“补集法”（全集R），也可以从正面直接求解，即分别求出三个方程有实根时（△≥0）a的取值范围，再将三个范围并起来，即求集合的并集。两种解法，要求对不等式解集的交、并、补概念和运算理解透彻。例3.给定实数a，a≠0且a≠1，设函数y＝xax11(其中x∈R且x≠1a)，证明：①.经过这个函数图像上任意两个不同点的直线不平行于x轴；②.这个函数的图像关于直线y＝x成轴对称图像。(88年全国理)。SCAOB【分析】“不平行”的否定是“平行”，假设“平行”后得出矛盾从而推翻假设。【证明】①设M1(x1,y1)、M2(x2,y2)是函数图像上任意两个不同的点，则x1≠x2,假设直线M1M2平行于x轴，则必有y1＝y2，即xax1111＝xax2211，整理得a(x1－x2)＝x1－x2∵x1≠x2∴a＝1，这与已知“a≠1”矛盾，因此假设不对，即直线M1M2不平行于x轴。②由y＝xax11得axy－y＝x－1,即(ay－1)x＝y－1,所以x＝yay11，即原函数y＝xax11的反函数为y＝xax11，图像一致。由互为反函数的两个图像关于直线y＝x对称可以得到，函数y＝xax11的图像关于直线y＝x成轴对称图像。【注】对于“不平行”的否定性结论使用反证法，在假设“平行”的情况下，容易得到一些性质，经过正确无误的推理，导出与已知a≠1互相矛盾。第②问中，对称问题使用反函数对称性进行研究，方法比较巧妙，要求对反函数求法和性质运用熟练。Ⅲ、巩固性题组：1.已知f(x)＝xx1||，求证：当x1≠x2时，f(x1)≠f(x2)。2.已知非零实数a、b、c成等差数列，a≠c，求证：1a、1b、1c不可能成等差数列。3.已知f(x)＝x2＋px＋q，求证：|f(1)|、|f(2)|、|f(3)|中至少有一个不小于12。4.求证：抛物线y＝x22－1上不存在关于直线x＋y＝0对称的两点。5.已知a、b∈R，且|a|＋|b|1，求证：方程x2＋ax＋b＝0的两个根的绝对值均小于1。6.两个互相垂直的正方形如图所示，M、N在相应对角线上，且有EM＝CN，求证：MN不可能垂直CF。AFDBMNEC