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反证、构造与结果验证

基础更新于 2026-09-29

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反证通过否定命题导出冲突,构造通过实际给出对象证明存在。二者常用于补足直接计算无法保证的结论。

反证与反例

反证法假设所求命题不成立,再结合已知条件推出矛盾。证明“没有”通常假设“存在”;证明唯一性可假设有两个不同对象。

反例只需否定一个全称命题。证明全称命题时,检验很多数值不够;但找到一个合法反例即可推翻它。

例:无理性

假设 2=p/q\sqrt2=p/q,其中正整数 p,qp,q 互素。由 p2=2q2p^2=2q^2 得 pp 偶,写 p=2rp=2r 后得 q2=2r2q^2=2r^2,所以 qq 也偶,与互素矛盾。因此 2\sqrt2 无理。这里仅使用奇数平方为奇数这一基本事实,不展开数论专题。

例:达到界的构造

非负 a+b=1a+b=1 时,ab≤1/4ab\le1/4 给出上界;取 a=b=1/2a=b=1/2 才说明上界实际达到。存在性必须交付满足全部条件的对象,不能只给出形式上的候选。

验证与建模

检查单位、符号、极端情形与小规模实例,能暴露模型错误。数值计算应记录精度,近似相等不能当成恒等证明。应用题还应回到原问题解释变量和答案,例如人数必须为整数、长度必须非负、概率必须在 [0,1][0,1] 内。

平均值原理与极端对象的选择

平均值保证某个对象达到什么程度

对实数 a1,…,ana_1,\ldots,a_n,记 m=min⁡aim=\min a_i、M=max⁡aiM=\max a_i。由逐项相加,

m≤a1+⋯+ann≤M.m\le\frac{a_1+\cdots+a_n}{n}\le M.

因此至少有一个数不小于平均值,至少有一个数不大于平均值。若所有数都严格小于平均值,相加便与平均值的定义矛盾;另一方向相同。当各数不全相等时,两端不等式都严格。

若 ai>0a_i>0,从 mn≤∏ai≤Mnm^n\le\prod a_i\le M^n 开 nn 次方,还得到几何平均位于 m,Mm,M 之间。若 ai≥0a_i\ge0,从 nm2≤∑ai2≤nM2nm^2\le\sum a_i^2\le nM^2 开方,得到平方平均也位于二者之间。平方平均的这个表述不能直接用于任意负数,例如 a1=a2=−1a_1=a_2=-1 时平方平均是 11,已大于最大项。

在计数中,若 nn 个对象的整数得分总和为 SS,便有某个得分至少为 ⌈S/n⌉\lceil S/n\rceil,也有某个至多为 ⌊S/n⌋\lfloor S/n\rfloor。证明时先求总体数量,再由平均分配得到某个对象的保证,通常不必先找到该对象。

加权平均的最大、最小界

若 pi≥0p_i\ge0 且 P=∑i=1npi>0P=\sum_{i=1}^n p_i>0,则

m≤∑piaiP≤M.m\le\frac{\sum p_i a_i}{P}\le M.

证明是将 m≤ai≤Mm\le a_i\le M 乘以 pip_i 后求和,再除以 PP。左侧等号当且仅当每个 pi>0p_i>0 的项均满足 ai=ma_i=m;右侧等号同理。权重为零的项不影响平均值;允许负权重时结论一般不成立,例如权重 2,−12,-1 对数值 1,01,0 给出平均值 22,超过最大项 11。

极端原理的使用步骤

非空有限实数集一定能取到最大值和最小值:依次比较两个数、保留较大者,有限次后得到最大值;最小值同理。证明中据此选择长度最短、得分最高、关联对象最少等对象,再利用“它不可能被合法对象进一步改进”的约束。

使用时应明确三件事:候选对象集合为何非空;所比较的量为何取到最值;改变对象后是否仍满足候选条件。对无限集合不能直接套用有限性结论,例如 (0,1)(0,1) 没有最大元也没有最小元。若依靠正整数的最小数原理,应明确比较量是正整数,而不是笼统地称“取最小”。

最值证明要同时给出界和达到界的对象

若目标是最大值 MM,须证明所有合法对象的值都不超过 MM,再构造一个合法对象恰取 MM;最小值则反向。只有上界不能证明最大值,只有一个较好的构造也不能排除更好者。若只能构造一列值趋近 MM 而无人达到,应称为上确界,并明确最大值不存在。

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先修:等价转化与条件追踪 · 量词、否定与参数中的存在性。

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