证明方法

引言

术语:

  • 定理(Theorem):能够被证明为真的陈述,通常是比较重要的陈述。
  • 证明(Proof):表明陈述(定理)为真的有效论证。
    • (当前)定理的前提
    • 术语的定义
    • 公理(假定)
    • 已经证明的定理(推论、命题、引理)
  • 猜想(Conjecture):尚未被证明为真的陈述,通常是比较重要的陈述。尚未有效论证,也没有被证伪。
  • 引理(Lemma):用于证明定理的辅助陈述。
  • 推论(Corollary):由定理推出的陈述。

证明方法

逆否命题法(Proof by Contrapositive)

φ→ψ≡¬ψ→¬φ\varphi \to \psi \equiv \lnot \psi \to \lnot \varphi

要证明 φ→ψ\varphi \to \psi:

  1. 假设 ¬ψ\lnot \psi 为真。
  2. 推出 ¬φ\lnot \varphi 为真。
  3. 从而推出 φ→ψ\varphi \to \psi 为真。

归谬法(Proof by Contradiction)

φ≡¬φ→⊥\varphi \equiv \lnot \varphi \to \bot

要证明 φ\varphi:

  1. 假设 ¬φ\lnot \varphi 为真。
  2. 导出矛盾 ⊥\bot(即 ψ∧¬ψ\psi \land \lnot \psi)。
  3. 从而推出 φ\varphi 为真。

等价性证明

⋀1⩽i<j⩽n(φi↔φj)≡(⋀i=1n−1(φi→φi+1))∧(φn→φ1)\bigwedge\limits_{1 \le i < j \le n} (\varphi_i \leftrightarrow \varphi_j) \equiv \left( \bigwedge_{i = 1}^{n - 1} (\varphi_i \to \varphi_{i + 1}) \right) \land (\varphi_n \to \varphi_1)

要证明 nn 个命题 φ1,φ2,…,φn\varphi_1, \varphi_2, \ldots, \varphi_n 两两等价:

  1. φ1⊢φ2\varphi_1 \vdash \varphi_2。
  2. ⋯\cdots
  3. φn−1⊢φn\varphi_{n - 1} \vdash \varphi_n。
  4. φn⊢φ1\varphi_n \vdash \varphi_1。
  5. 从而推出 ⋀1⩽i<j⩽n(φi↔φj)\bigwedge\limits_{1 \le i < j \le n} (\varphi_i \leftrightarrow \varphi_j) 为真。

存在性证明

  • 构造性证明
    • 如「存在这样的正整数,有两种方式表示为正整数的立方和」,有 1729=103+93=123+131729 = 10^3 + 9^3 = 12^3 + 1^3。
  • 非构造性证明
    • 如「存在无理数 x, yx,\, y 使得 xyx^y 为有理数」,有 22, (22)2\sqrt{2}^{\sqrt{2}},\, \left(\sqrt{2}^{\sqrt{2}}\right)^{\sqrt{2}} 中至少有一个为有理数。

分情形证明

⋁i=1nφi→ψ≡⋀i=1n(φi→ψ)\bigvee_{i = 1}^n \varphi_i \to \psi \equiv \bigwedge_{i = 1}^n (\varphi_i \to \psi)

要证明 ⋁i=1nφi→ψ\displaystyle \bigvee_{i = 1}^n \varphi_i \to \psi:

  1. φ1⊢ψ\varphi_1 \vdash \psi
  2. ⋯\cdots
  3. φn⊢ψ\varphi_n \vdash \psi
  4. 从而推出 ⋁i=1nφi→ψ\displaystyle \bigvee_{i = 1}^n \varphi_i \to \psi 为真。

唯一性证明

存在一个且仅有一个 xx 使得 P(x)P(x) 成立,记作 ∃!x P(x)\exists! x \, P(x)。

  • ∃x(P(x)∧∀y(y≠x→¬P(y)))\exists x(P(x) \land \forall y (y \ne x \to \lnot P(y)))
  • ∃x P(x)∧∀y∀z(P(y)∧P(z)→y=z)\exists x \, P(x) \land \forall y \forall z (P(y) \land P(z) \to y = z)

找反例

¬∀x P(x)≡∃x ¬P(x)\lnot \forall x \, P(x) \equiv \exists x \, \lnot P(x)