直观证明与数学归纳法

直观证明往往借助于图像。

使用图像证明命题尽管很直观,对初学者很友好,但是,也有一些问题。

人是有极限的,图像也是有极限的,画出一个,两个图形还比较容易,画出再多的图,只要是有限的总也有可能做到,但是可数个,不可数个就无能为力了。

所以依靠图像来证明一般只适用于有限个对象,或者是可数个对象,其本质还是数学归纳法。

数学归纳法依赖的是良序这一性质,良序可以理解为有一个元素作为起点,然后不断在后面添其他元素,就像贪吃蛇一样,不管尾巴有多长,总只有一个头。这就总能确定一个顺序,从头往后数,每一个元素都有一个序数,也就是第几个。于是,命题的证明就可以变成这样,首先,命题对头元素也就是第一个元素成立,然后构造一个特殊的结构,使得相邻的两个元素具有这种关系,如果命题对前面的元素成立,则命题对后面的元素立即成立。由此,构成了关于证明的贪吃蛇,命题对头元素成立,那么对第二个元素就成立,因为对第二个元素成立,从而对第三个元素也成立……

自然数就能排成贪吃蛇一样,0-1-2-3-4-...,常用的数学归纳法也是来解决与自然数有关的命题。

还有更一般的数学归纳法,只要是良序集就有归纳法,这就拓展到了良序集,这个又和选择公理有些关联,还是很有意思的。不过,这种顺序通常不再是大小顺序,所以很难用于实际证明中。

回归正题,之所以提出这个关联,是因为有不少关于无限集合的命题,这时,要格外小心,贪图直观就容易出现错误,我就在这上面翻过跟头。这也是因为无限集合的性质比较反直觉。

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