点、线与角 · 基础概念与证明

数学语言与证明

Mathematical Language and Proof

本页目录用矩形区分定义、性质与判定

示意图帮助辨认条件,点名只作说明;图形和读数不能代替证明。

用矩形区分定义、性质与判定

下面比较三句话的作用;图形帮助理解,不代替证明。

同一个矩形 ABCD

四个角为直角,AC、BD 是两条对角线。

定义:什么叫矩形?

四个角都是直角的四边形叫作矩形。这是在规定“矩形”这个名称的含义;也可以等价地定义为“有一个直角的平行四边形”。

性质:已知是矩形,能推出什么?

已知 ABCD 是矩形,可以推出两条对角线相等,即 AC=BDAC=BD。

判定:哪些条件能确定它是矩形?

已知 ABCD 是平行四边形,且 AC=BDAC=BD,就可以判定它是矩形。

判定中的“平行四边形”不能省略:一个非矩形的等腰梯形也有相等的对角线,但它不是矩形。

知识的类型

定义、基本事实、定理与推论

使用条件:区分几何知识中的约定、起点和经过论证的结论。

定义:用明确的语言规定一个概念的含义,叫作定义。定义说明对象是什么,不是待证明的结论。

基本事实:在一个数学体系中作为推理起点、无需在该体系内证明的事实,叫作基本事实,也称公理。

定理:由定义、基本事实或已经证明的结论,经逻辑推理证明为真的命题,叫作定理。

推论:从一个定理较直接地推出的结论,叫作推论;推论同样需要有推理依据。

性质:从对象的身份出发,说明它具有哪些特征。

判定:满足一条判定要求的全部条件,就能确定对象属于哪一类。

公式:用符号表达量之间的关系,使用时要满足相应条件。

符号表达

沿用前面的矩形 ABCD,S 表示面积。下面把“面积等于长乘宽”写成符号表达;前提是已知它为矩形,写出公式本身不是一次证明。

S=AB⋅BCS=AB\cdot BC

作图:按要求构造图形,并说明作法为什么满足条件。

名称之间的关系

名称的关系:这些名称不是互斥的等级。性质与判定说明结论的使用方向;经过证明的性质或判定,也可以是一条定理。推论同样是已经证明的结论。

理解时别漏掉:名称不能代替条件。引用“定理”时必须确认当前图形满足它的前提。

命题、真假与逆定理

先分清条件与结论

使用条件:读一个“如果……那么……”的陈述。

命题:能够判断真假的陈述句叫作命题。要求作图或提出问题的句子,不是这种意义的命题。

条件与结论:“如果……那么……”中的“如果”部分是条件,“那么”部分是结论。命题是否为真,要检查满足条件时结论是否总成立。

符号表达

条件是“ABCD 是正方形”,结论是“四个角都是直角”。

正方形满足性质

四个角是直角,四条边也相等。

这句话从正方形的身份出发,得到四个直角的结论。

再判断真假

使用条件:先核对条件,再检查结论是否对所有满足条件的对象成立。

真命题:判断正确的命题叫作真命题。对“如果……那么……”形式的命题,须在条件成立的所有情形中,结论都成立;不能只看一个例子。

假命题:判断错误的命题叫作假命题。要否定一个“如果……那么……”的普遍说法,只需找到满足条件而结论不成立的情形;这样的情形叫作反例。

怎样理解

“正方形的四个角都是直角”是真命题。把条件和结论倒过来是否仍成立,要另外检查,下面就给出反例。

使用条件:原命题与它的逆命题分别判断真假。

逆命题:交换原命题的条件与结论,得到它的逆命题。原命题为真,逆命题不一定为真。

符号表达

原命题为真;下面把它的条件与结论交换,得到一个假的逆命题。

若四个角都是直角,则这个四边形是正方形\begin{gathered}\text{若四个角都是直角,}\\\text{则这个四边形是正方形}\end{gathered}

逆命题不成立

长为 4、宽为 2 的矩形也有四个直角,却不是正方形。

这个矩形有四个直角,却没有四条等长的边;因此这个逆命题为假。

理解时别漏掉:长宽不相等的矩形有四个直角,却不是正方形。它否定的是“四个角都是直角的四边形一定是正方形”这个逆命题。

逆命题证明为真后,才叫逆定理

使用条件:两个方向都已有证明;不能仅凭交换条件与结论就成立。

逆定理:一条定理的逆命题经过证明也为真,才叫作这条定理的逆定理;交换条件与结论,并不会自动得到成立的定理。

互逆定理:两条定理的条件与结论互相交换时,称为互逆定理。例如勾股定理与勾股定理的逆定理;两个方向分别需要依据。

使用条件:分别确认出发条件与要推出的结论。

性质与判定:性质通常从对象的身份推出特征;判定从给定的特征确认对象的身份,所用判定要求的条件必须全部满足。使用逆向结论前,应单独确认其成立。

证明、反例与反证法

使用条件:需要确定一个几何命题对所有满足条件的对象是否成立。

证明:从已知条件出发,引用定义、基本事实与已经成立的结论,逐步推出待证结论,叫作证明。

反例:对于声称所有满足条件的对象都具有某性质的命题,只要找到一个满足条件却不满足结论的对象,就能判定该命题为假。

符号表达

S₁、S₂ 表示两个矩形的面积。一个长 6、宽 2,另一个长 4、宽 3,面积都为 12,但边长不同,不能完全重合。

面积相等,能否判定全等?反例:S1=S2但两图不全等\begin{gathered}\text{面积相等,能否判定全等?}\\\text{反例:}S_1=S_2\\\text{但两图不全等}\end{gathered}

长 6、宽 2 的矩形

面积为 6×2=12,最长的边为 6。

长 4、宽 3 的矩形

面积为 4×3=12,最长的边为 4。

两图面积都为 12,但第一图有长度为 6 的边,第二图没有,因此不能完全重合。它们否定了“面积相等的图形一定全等”。

理解时别漏掉:反例必须满足原条件。几个正确例子不能证明一般命题;反例和反证法不是同一方法。

使用条件:已知一个三角形有一个直角,要说明它不能再有第二个直角。

不退化:三角形的三个顶点不共线,边长、高和面积都大于 0。

反证法:先假设待证结论不成立,再从这一假设和已知条件推出矛盾,从而证明原结论成立。

符号表达

已知 ∠A=90°;β、γ 是 B、C 处的角名。

反证小例:已有一个直角

△ABC 中已知 ∠A=90°,要证明 ∠B 不能也是直角。图上只标已知的 A 处直角,β、γ 分别命名 B、C 处的实际角,不表示二者相等;反证中假设的 ∠B=90° 不当作图形条件。

反证法是在假设下推理,不是找一个反例。假设产生矛盾后才把它否定;不能把假设的直角提前画成已知标记。

证明怎样读:这个小例需要三角形内角和。初读本页时可先理解反证法的过程;学过内角和后,再逐步核对为什么会产生矛盾。

先了解这些知识

反证法小例:三角形不能有两个直角

在不退化 △ABC 中已知 ∠A=90°,要证明 ∠B≠90°。暂时假设与要证明的结论相反,再检查这个假设会导致什么。这是展示反证过程的小例,不是在证明三角形内角和定理。

  1. 假设要证明的结论不成立

    我们要证明 B 不是直角,所以反证时暂时假设 ∠B=90°。这是待排除的假设,不是题目给出的第二个直角条件。

    假设 ∠B=90∘\text{假设 }\angle B=90^\circ
  2. 沿假设推下去,得到矛盾

    三角形内角和为 180°。若 A、B 都是 90°,就只能得到 ∠C=0°;但不退化三角形的每个内角都大于 0°,与此矛盾。

    ∵∠A+∠B+∠C=180∘∴∠C=180∘−90∘−90∘=0∘\begin{gathered}\because\angle A+\angle B+\angle C=180^\circ\\\therefore\angle C=180^\circ-90^\circ-90^\circ\\=0^\circ\end{gathered}
  3. 否定假设,回到原结论

    因此“B 也是直角”的假设不能成立,∠B≠90°。同理 C 也不能是直角,所以一个三角形不能有两个直角。这里是用矛盾证明结论,不是用某一幅图的读数作为证据。

    ∴∠B≠90∘\therefore\angle B\ne90^\circ

理解时别漏掉:反例用于否定一个普遍说法;反证法通过排除相反的假设来证明结论。这里的三角形内角和是已经学过后使用的依据。

常用几何记号

使用条件:记号用于已明确的对象和对应关系,不代替证明依据。

平行与垂直记号:a∥b 表示两条直线平行,a⊥b 表示互相垂直;使用前要知道字母表示的具体直线。

全等与相似记号:△ABC 表示三角形 ABC;≌ 表示全等,∽ 表示相似。两个三角形名称的字母顺序给出顶点对应,不能随意换顺序。

因为与所以记号:∵ 表示“因为”,引出所使用的条件或依据;∴ 表示“所以”,引出由这些依据推出的结论。符号本身不能代替推理。